基于光纤端面的卤素钙钛矿微腔激光器及其高效率能量采集研究

Lead halide perovskites have become a promising platform to study micro/nano-scale lasers due to the glorious properties of tunable band gap, high gain coefficient and easy-synthesis. The chemical stability of perovskites is however poor, making it a challenging issue to be addressed in integration and coupling with optical elements. Consequencely, the collecting efficiency of perovskite lasers emitting is quite low. In this project, a method of fabricating perovskite microcavity on commercial fiber facet is proposed, aiming to realize the connection between perovskite microcavity lasers and fiber, and also proving high collecting efficiency of microcavity emitting energy. Based on the developed theoretical and numerical model, we unravel the principle and mechanism of energy exchange between cavity and fiber in order to investigate the influence of morphology parameters on coupling efficiency. In order to improve the far-filed emitting power ratio of microcavity along fiber axis, as well as the collecting efficiency, the microcavity surface emitting ability is effectively modulated by periodic ring gratings. Then the perovskite microcavities surrounded by periodic ring gratings are fabricated onto the fiber facet with the guidance of calculated results. This project will provide a large step toward exploiting the superiority of perovskite microlasers in integrated photonic circuits and remote sensing and reach the reliability required in commercial applications.

卤素钙钛矿因其带隙可调、增益系数高、合成简单等特点，迅速成为研究微纳激光器的良好平台。然而由于钙钛矿稳定性差，目前钙钛矿激光器与其他光器件耦合困难，导致其出射激光采集效率偏低。本项目拟采用在光纤端面制备钙钛矿微腔的方式，进行钙钛矿微腔激光器和商用光纤的互连研究，探索光纤对钙钛矿激光器出射能量的高效采集问题。建立光纤与微腔耦合的理论和数值模型，揭示两者的能量交换规律和机理，总结微腔和光纤结构参数对耦合效率的影响。研究环形光栅对微腔出射能量波矢的调控作用，提高微腔激光沿光纤传输方向的波矢分量，进而增强微腔的面发射特性，实现光纤对钙钛矿微腔激光的高效率采集。以理论和数值计算结果为指导，在光纤端面制备具有环形光栅结构的钙钛矿微腔。本项目的研究将提升钙钛矿微腔激光器在集成光子回路、远程探测、传感等方面的应用潜力，为增强钙钛矿光器件的实用性提供基础。

钙钛矿有源光器件和其他光学结构的耦合是钙钛矿器件应用化进程中的关键问题，尤其是钙钛矿激光出射的采集和能量耦合，这对于钙钛矿的片上集成有重要意义。然而钙钛矿较差的化学稳定性使其无法和传统微纳加工工艺兼容，不利于钙钛矿器件和其他光学元器件的互连。利用溶液法或者气相沉积法合成的钙钛矿样品大都为方形微腔。为了提升钙钛矿材料和研究成果的实用性与普适应，我们开展了方形钙钛矿微腔的出射采集研究。通过设计对角线式的增益和损耗排列，有效实现了其模场分布的动态调控及其出射能量的高效耦合和传输。其次，提出了法布里-泊罗腔（Fabry-Perot, F-P）和微腔的复合结构。通过在F-P腔中引入局部损耗，在其内部形成局域性极强的非常规、非对称模式，从而引起微腔中CW和CCW模式的对称性破缺。另外，若将一根波导和微腔耦合，微腔的能量将从波导的两个端口出射，如何实现波导两个端口出射能量的有效分配具有重要的意义。我们提出了双分子微腔和波导的复合结构，两微腔均有极强的手性，因此波导两端口的出射能量分别由两个微腔控制。以此为基础，通过引入宇称时间对称的概念，可以有效并且实时地控制波导两端口的能量出射比。更重要的是，基于该结构的巧妙设计，可将其利用在极小纳米颗粒的探测中，可有效探测出2~10nm的颗粒。该模型和结果具有普适性，可适用于不同的材料（即不同的折射率）和微腔尺寸，实验操作性强，为钙钛矿微腔的应用和集成提供了理论支持。此外，针对BIC波导在宽度上的限制性，我们提出了双波导结构，释放了达到BIC时的波导宽度限制，实现了任意波导宽度下的稳定BIC状态，该成果对于波导和微腔耦合结构有重要价值，可有效实现最佳耦合条件。基于前期的理论和计算成果，我们采用聚焦离子束制备了SOI平台上的无机钙钛矿微腔激光器，得到了稳定的激光输出，并且具有较高的重复性和稳定性。本项目的研究不仅揭示了微腔模式调控和耦合的新机制，也为钙钛矿相干光源集成化的开发和改进提供新思路。

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