超对称 = 超激光？！—— 超越传统的超对称激光阵列为高功率相干光源提供新方案 |播光

作者：冯亮 宾夕法尼亚大学

高功率、单频相干的激光器在材料加工、光学雷达等众多领域具有重要的应用价值。阵列式激光器被广泛视为一种提高激光功率的解决方案。然而，由于复杂而随机的横向模式竞争和增益材料的非线性，从激光阵列发射的光束普遍具有不稳定、多模、宽谱域等缺点，从而破坏激光在空间和时间上的相干性。

为克服这一技术难题，美国宾夕法尼亚大学冯亮课题组运用超对称理论（supersymmetry, SUSY），设计并验证了一种倏逝波耦合的环形微腔激光阵列，实现了稳定的低阈值、单一横向模式的高功率激射。该工作成果以Supersymmetric microring laser arrays 为题发表在Photonics Research。

超对称环形微腔激光阵列（图片来源：“Supersymmetric microring laser arrays ”, Photonics Research）

在量子物理以及粒子物理中，超对称是一种统一自然界四大基本作用力的理论，它预言费米子（如电子）和玻色子（如光子）存在对称性。这种互为对称的粒子被称为超对称粒子（superpartner）。尽管该理论尚未在实验中被证实，超对称的原理已被广泛应用于凝聚态物理、量子引力、数学物理等领域。在量子理论中，一个已知的物理系统可对应多个“超对称粒子”系统，即高阶超对称粒子（higher-order superpartners）。由于光学中的傍轴方程与量子力学中的薛定谔方程方程具有同样的数学形式，近年来超对称理论在光学中的应用获得了大量关注。

根据超对称理论，任何一种光学结构都可以通过超对称变换（SUSY transformation）得到看似迥异但频谱响应几乎一致的“超对称粒子”结构。在保持超对称的条件下，其除横向基模以外的所有高阶模式都可以匹配到“超对称粒子”结构中。因此，如果增加该“超对称粒子”的损耗，这些高阶模式的品质因子将由于耦合作用而显著下降，并始终被控制在激光阈值以下。只有基模被选择出来并在激光发生时独享所用的增益资源，从而实现单一横向模式的高功率激射。

冯亮课题组运用这一原理研制的超对称单模激光线性阵列由5个均匀紧密排列的环形微腔单元组成，各单元间经空隙处倏逝波的重叠耦合。因其回音壁谐振模式，单元环形微腔可在较小的空间中实现更高的品质因子。各单元环形微腔以玻璃为基底，由200 nm高度的InGaAsP半导体量子井组成，其半径仅为4 μm。若对该阵列进行初级的超对称变换，得到的“超对称粒子”为单元尺寸不一的线阵，这将要求各单元尺寸的精细控制。为简化微加工过程，该课题组采用二阶超对称变换并使 “超对称粒子”阵列具备一致的半径，同时使用Cr/Ge的多层膜结构在“超对称粒子”阵列中引入损耗，并保持各微腔谐振频率不变。

为了在实验上验证该超对称设计的有效性，该课题组比较了单个环形微腔、普通5环微腔阵列以及超对称微腔激光阵列的激光频谱。如同理论预期，超对称激光具有超越传统激光阵列的性能：相比于普通5环微腔阵列的多模频谱，超对称微腔阵列实现了稳定的单一横向模式输出。同时，由于超对称微腔阵列的单模享有更多的横向增益（transverse gain），这种超对称单模激光阵列的激光阈值和抽运效率比单一环形微腔更低。观测到的更广的腔体近场横向分布也说明该激光光束在远场能提高能量的汇聚率。

超对称环形微腔激光阵列为高功率相干激光源提供了一种切实的解决方案，其激射功率可在单一横向模式条件下通过增加单元个数进一步提升。这种基于环形微腔的激光器面积极小，在集成光路中有光明的应用前景。

单个环形微腔、普通5环微腔阵列以及超对称微腔阵列的光谱比较（图片来源：“Supersymmetric microring laser arrays ”, Photonics Research）

作者简介

冯亮教授2010年在加州大学圣迭戈分校获得博士学位，长期致力于光学和光子学材料、超材料、纳米光子学和光电子学方面的研究。

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