Ультракомпактні лазери на основі пласкої зони та багатозв’язаних станів у континуумі

Ультракомпактні лазери на основі пласкої зони та багатозв’язаних станів у континуумі: прорив у мініатюризації фотонних джерел

На рис. 2 проведено детальний аналіз трьох типів мод — flat-band (E1), класичної BIC (B′), та лінійно-дисперсійних мод (B, E2). Числове моделювання демонструє, що лише E1 мода (flat band) забезпечує сильну локалізацію |Ez|-поля в центрі активної області (рис. 2b), тоді як інші моди втрачають енергію через витоки за межі структури. Розраховані групові індекси показника заломлення (n_g) підтверджують, що flat-band мода має приблизно в 10 разів більший n_g, ніж B′, що напряму корелює з вищим Q-фактором (рис. 2c). Лінійно-дисперсійні моди мають низький Q (~39–51), у той час як E1 перевищує 2,800, що створює високу селективність мод.


Рис. 2. Порівняння між BIC-режимом з плоскою зоною та іншими звичайними BIC-режимами

Переваги multi-BIC
Щоб ще більше знизити втрати, автори впровадили мульти-BIC дизайн, сформувавши серію точок високого Q поблизу точки Γ (рис. 3a). Це дозволяє розширити зону високої якості резонансів, що робить систему стійкою до недосконалостей виготовлення та дискретизації в спектрі. У порівнянні (рис. 3b–c), структура з multi-BIC демонструє Q ≈ 1,440, тоді як без них — лише ≈368, а звичайний BIC — ~37. Ефект полягає не лише в теоретичному зростанні Q, а у реальному покращенні генераційних властивостей лазера.

Рис. 3. Q-фактори BIC-режимів із використанням та без використання конструкції з плоскою зоною (multi-BIC)

Експериментальні результати
На рис. 4 показано результати виготовлення й вимірювань. SEM-зображення (рис. 4a–b) підтверджують якісне формування ромашкоподібної фотонної решітки. L–I–V характеристики демонструють поріг генерації ~0.19 кА/см² (рис. 4c), що є одним з найнижчих серед терагерцових QCL. Спектри виявляють чітке одномодове випромінювання (рис. 4d–f), а при масштабуванні структури до L = 9a та 17a одномодовість зберігається (SMSR 23–25 дБ) — рис. 4g–l.


Рис. 4. Експериментальна демонстрація лазерів з плоскою зоною на основі multi-BIC

Дослідження демонструє принципово новий підхід до мініатюризації лазерних джерел без шкоди для стабільності, якості чи потужності випромінювання. З огляду на те, що конструкція базується лише на модифікації діелектричної сталої — її можна масштабувати до інших діапазонів, зокрема ІЧ та видимого світла. Це дослідження стане ключовим кроком у створенні наступного покоління надкомпактних лазерів для фотоніки та оптоелектроніки.