在绝缘体上的硅（SOI）衬底上外延生长的III-V族纳米线产生的涡旋光束激光

《Laser & Photonics Reviews》：Vortex Beam Lasing from III-V Nanowires Epitaxially Grown on Silicon-on-Insulator

本文通过变形六方纳米线阵列结构，利用带反转效应在连续谱中形成对称性保护的束缚态，实现了硅基板上InGaAs纳米线光子晶体激光器单模发射涡旋光束（拓扑角动量-2）。实验与模拟均证实该激光器具有高单色性和涡旋光束特性，适用于光通信、微纳成像等领域。

　　光子晶体激光器作为一种具有独特光学特性的器件，近年来在光通信、光学捕获、高分辨率成像和激光雷达（LIDAR）等领域展现出巨大的应用潜力。其优势在于能够实现高发射功率和优异的光束质量，同时具备灵活的光束调控能力。其中，携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束因其特殊的相位结构和抗大气湍流的能力，成为实现自由空间通信和增强光学系统性能的重要工具。本文围绕一种基于硅绝缘层（SOI）平台的InGaAs纳米线光子晶体激光器展开研究，探讨其在发射涡旋光束方面的性能与特性。

研究的核心在于通过改变六边形纳米线阵列的结构，利用带反转现象（band inversion）来调控光子晶体的带隙特性，从而实现高Q值的单模激光发射。这种结构设计基于一种具有对称保护特性的边界态在连续态中（BIC）的原理，使得激光在特定波矢方向上能够稳定地激发并形成具有OAM的涡旋光束。实验和模拟结果表明，该激光器能够在硅基平台上实现高效率的OAM光束发射，并且其发射的光束具有清晰的环形结构和特定的拓扑电荷值（?2），为未来的集成光子器件提供了新的思路。

InGaAs纳米线光子晶体激光器的制备过程采用了选择性区域外延（SARE）技术，通过在特定区域生长纳米线，使得其能够在硅基底上形成高密度的纳米线阵列。在这一过程中，纳米线的直径、高度和分布均受到外延条件的严格控制，以确保其在光子晶体结构中的光学性能。此外，纳米线周围包裹的InGaP壳层有效抑制了表面非辐射复合效应，提高了激光的输出效率。通过调整纳米孔的尺寸和形状，研究团队实现了对六边形晶格的压缩和扩展，从而在光子带结构中引入了带反转现象。这种结构变化不仅影响了纳米线阵列的光学特性，还导致了光子晶体中对称保护的边界态在连续态中的出现，使得激光器能够在特定波矢方向上形成稳定的单模发射。

在实验验证方面，研究团队利用角度分辨光致发光（PL）测量技术，分析了纳米线阵列的光子带结构。实验结果表明，当纳米孔直径为30纳米时，激光器的发射方向性和光束质量均表现出最佳性能。同时，通过测量远场光束的偏振状态，研究团队确认了激光器所发射的涡旋光束具有?2的拓扑电荷，进一步验证了其在OAM生成方面的有效性。此外，研究还发现，当纳米孔尺寸增大时，纳米线的直径也随之增加，这可能会影响激光器的发射波长和带隙特性。然而，通过优化纳米孔的尺寸和结构，团队成功实现了在硅基平台上稳定生成具有OAM的涡旋光束。

研究还探讨了纳米线阵列中缺陷对激光性能的影响。实验表明，随着纳米线阵列中缺陷密度的增加，激光的阈值功率也随之上升。然而，这种影响在压缩和扩展结构之间存在差异，扩展结构中的四极模式对缺陷更加敏感，而压缩结构中的偶极模式则相对稳定。这一现象可以通过对Q因子随波矢变化的模拟图来解释，四极模式的Q因子在远离Γ点时迅速下降，而偶极模式的Q因子则基本保持不变。因此，扩展结构中的四极模式更容易受到结构缺陷的影响，从而导致激光阈值的显著变化。

在应用前景方面，该研究为硅基光子集成器件提供了一种新的光源设计方法。传统的OAM光束生成方法通常依赖于外部光学元件，如螺旋阶梯结构、光子晶体波导或金属表面结构（metasurfaces），这些方法虽然能够实现高效率的OAM光束生成，但往往需要复杂的自由空间光学系统。相比之下，本文提出的InGaAs纳米线光子晶体激光器作为一种芯片集成光源，能够直接在硅基平台上实现OAM光束的发射，避免了对自由空间光学组件的依赖，具有更高的集成度和可扩展性。这种设计不仅适用于光通信中的空间分复用技术，还为光学捕获、高分辨率成像和激光雷达等应用提供了新的可能性。

研究还提出了一些潜在的改进方向，例如通过热光效应或机械压缩/拉伸技术来动态调控OAM的值。由于硅绝缘层具有良好的热绝缘性能，研究团队认为可以通过局部改变纳米线阵列的折射率来打破BIC对称性，从而实现OAM值的动态变化。此外，压缩和扩展晶格之间的切换也可能成为未来研究的一个方向，这可以通过机械方法或压电晶体来实现。这些方法的提出为未来的光子晶体激光器设计提供了新的思路，使得其在更广泛的应用场景中具备更大的灵活性和可控性。

综上所述，本文的研究不仅在理论上深入探讨了光子晶体激光器中带反转现象和对称保护边界态的形成机制，还在实验上验证了其在硅基平台上的可行性。通过结合纳米线阵列的结构优化和精确的光学调控，研究团队成功实现了具有OAM的涡旋光束发射，为光子集成器件的发展提供了重要的技术支持。未来，随着相关技术的进一步完善，这类激光器有望在光通信、光学传感和精密成像等领域发挥更大的作用。