氮化物自卷曲微盘微腔中的光学模式和激子极化激元研究

Semiconductor optical microcavities are important components in integrated optical circuits. Microcavities with whispering gallery mode (WGM) find wide applications in quantum information, topological photonics and optical sensing due to their high quality factor, easy fabrication process and convenience for integration. In this project, we combine top-down and bottom-up fabrication techniques to make a conventional nitride-based microdisk roll up to exhibit three dimensional structures, thereby creating a novel type of microcavity with three-dimensional WGMs. We will investigate the spatial, momentum and polarization distribution of the abundant optical modes inside the cavity in three dimensions, and explore the physical mechanism about how photons propagate inside and emit out of the cavity. The cavity photons can be strongly coupled to photon emitters and form exciton-polaritons, which are quasi-particles partially-light-partially-matter exhibiting small mass and strong particle-particle interaction. We will further study the unique physical properties and behaviors of the exciton-polaritons inside the self-rolled-up microdisk cavities, paving the way towards optical control of information carriers in integrated photonic circuits at room temperature. This project, involving three research areas of wide-bandgap semiconductors, microcavity photonics and exciton-polaritons, is of great value for investigating new mechanisms of optical microcavities and creating new integrated optoelectronic devices.

半导体光学微腔是集成光学芯片中不可缺少的重要元件。基于回音壁模式的光学微腔具有品质因数高、适于集成等优点，被广泛应用于量子光学、拓扑光学、光学传感等多个领域。本项目结合了自上而下的刻蚀技术和自下而上的自卷曲技术，突破回音壁模式只能在准二维平面内传播的局限，使氮化物平面微盘腔在三维空间向上卷曲，形成一种具有三维回音壁模式的全新腔型。我们将探索这种特殊腔型中丰富的光学模式及其三维的空间、动量、偏振分布特征，揭示光子在其中传播和向外辐射的物理机理。微腔内光子与发光体通过强耦合作用产生的激子极化激元同时具有轻的有效质量和强的粒子间相互作用，我们将进一步研究自卷曲微盘回音壁模式所形成的激子极化激元特有的物理性质和行为，为室温下通过光学方法调控光子芯片中的信息载体提供有力的途径。本项目跨越宽禁带半导体、微腔光子学、极化激元三个研究领域，对探索新的光学微腔机理、创造新型光电子集成器件具有重要意义。

光学微腔是集成光路和光量子芯片的重要元器件之一，回音壁光学微腔更是广泛应用于片上相干光源、滤波器、隔离器、路由器、传感器等多个方面，在基础科学和应用领域都具有重要的研究价值。近年来，可集成的片上三维和弯曲结构得以迅速发展。本项目旨在对曲面上的三维弯曲微腔进行深入研究，揭示微腔模式的独有特征以及这些特征与曲面的联系，并实验上制作此类光学器件。在项目执行期内，我们成功制备了品质因数达1300以上的曲面回音壁微腔，并观测到了单模激射，激射线宽在0.03nm以内，相当于Q值为15000的无源微腔所能达到的线宽，证明了通过应力释放制备曲面微腔的可行性以及曲面微腔的质量和优势。我们解析推导得到了任意多边形微腔支持回音壁模式的通解条件，为多边形微腔回音壁模式的相关工作提供了统一的分析方法和标准。我们建立了曲面上回音壁微腔的光线动力学方法，发现岛状稳定模式和混沌模式的品质因子可通过曲面获得百倍以上的提高，并发现不同类型的模式之间可发生耦合作用，形成杂化模式，具有非厄米奇异点，有可能打开曲面微腔光学这一领域的大门。我们研究了F-P微腔与各项异性发光体相结合构成的系统，发现其腔膜光子的偏振态在动量空间中具有弯曲的结构，直接测量了其Berry曲率、量子度规与非厄米奇异点，对微腔与拓扑光学、曲面几何等的交叉研究领域，具有重要意义。总体来说，项目成果丰富，具有较重要的科学意义。