文献前沿丨Nano Letters：硅基超表面的横向、定向和偏振光发射

可与硅波导兼容的硅光源在集成光路中具有重要应用价值。本研究系统探究了采用成对硅纳米立方体构建的硅超表面在400纳米飞秒激光脉冲激发下的光发射特性。实验发现该硅超表面可在可见光至近红外光谱范围内支持多种光学共振模式。当激发辐照度超过阈值时，观测到热电子发光呈现线宽减小的爆发现象。研究表明该发光主要沿横向传播，并表现出对波长的依赖性。实验证实蓝绿光能耦合至相邻硅波导并实现长距离传输。同时确认所发射光呈线性偏振态，且与激发激光的偏振方向无关。这些发现为实现集成光路中的硅基激光器奠定了重要基础。相关工作以Lateral, Directional, and Polarized Light Emission from a Silicon Metasurface为题发表在Nano Letters期刊。

本文设计并制备了不同结构参数的硅基超表面，在激光脉冲的照射下，硅表面会产生不同颜色的横向与方向性光发射现象（图1）；计算了角分辨透射光谱及不同结构参数超表面的透射光谱，并分析了不同波长的辐射模式（图2）；测量了不同结构参数超表面的反射光谱，并研究了超表面的辐射特性（图3）；计算了不同偏振角的光致发光光谱，深入探究硅超表面的发光特性（图4）。

图1. (a)示意图展示了在400 nm飞秒激光脉冲激发下，硅超表面产生不同颜色的横向与方向性光发射现象；(b)由成对硅纳米立方体构成的硅超表面单元结构示意图，其中，纳米立方体的长、宽、高分别标记为L、W和H，两个纳米立方体的中心间距标记为g，x轴和y轴方向的周期分别标注为px和py；(c)典型硅超表面（L= 250 nm）的扫描电镜图像，比例尺长度为200 nm。

图2. (a)针对L= 250 nm硅超表面计算的角分辨透射光谱，虚线曲线标示了超表面支持的四个光学共振峰（A−D）；(b)不同参数（不同L值）硅超表面在垂直入射条件下的透射光谱；(c)L= 250 nm硅超表面的发射光谱，同时附上其实测光致发光（photoluminescence, PL）光谱对比；(d)λ = 510 nm时硅超表面在xz平面的二维辐射模式，同时展示xy平面上λ = 510 nm处的电场分布（Ez）；(e)λ = 600 nm时硅超表面在yz平面的二维辐射模式，同时展示xy平面上λ = 600 nm处的磁场分布（Hz）；(f)λ = 650 nm时硅超表面在yz平面的二维辐射模式，同时展示xy平面上λ = 650 nm处的磁场分布（Hz）。

图3. (a)采用交叉偏振法测得不同参数（L= 250−310 nm）的硅超表面反射光谱；(b)使用400 nm飞秒激光脉冲（功率不同）激发L= 250 nm的硅超表面测得的光致发光（PL）光谱，插图中电荷耦合装置（charge-coupled device，CCD）记录了对应的光发射信号，各案例中硅超表面用虚线方框标出，激光光斑位置用红色十字标记；(c)模式C的积分光致发光强度（上图）与线宽（下图）随泵浦功率密度的变化关系；(d)当硅超表面被沿x方向偏振的飞秒激光激发时，模式C光致发光强度随偏振角变化关系，插图中CCD记录了0°和90°的光发射图像；(e)不同参数（L= 250−310 nm）的硅超表面测得的光致发光光谱，所有光谱中模式C强度均经过归一化处理；(f)使用325 nm连续波激光（功率递增）激发L= 290 nm的硅超表面测得的光致发光光谱。

图4. (a)在400 nm飞秒激光不同偏振角激发下观测的硅超表面(L= 250 nm）光致发光光谱；(b)采用400 nm飞秒激光不同偏振角激发硅超表面时的CCD图像，各案例中，硅超表面用虚线方框标注，激光光斑与缺陷分别用红色十字和蓝色十字标记；(c)采用x偏振400 nm飞秒激光激发硅超表面时，不同旋转角度下的CCD图像；(d)采用400 nm飞秒激光不同偏振角激发硅超表面时测得的偏振依赖性光致发光强度；(e)采用x偏振400 nm飞秒激光激发硅超表面(L= 250 nm）时的CCD图像，两个超表面的激光光斑与缺陷用红蓝虚心圆圈标注，彩色圆点表示光谱测量区域；(f)在两个超表面的激光光斑与缺陷处测得的光致发光光谱。

小结：本文设计并制备了具有不同结构参数的硅基超表面，这些超表面在可见光至近红外光谱范围内支持多种光学共振模式。研究发现，这类硅基超表面可被400纳米飞秒激光脉冲激发，展现出光爆和线宽收缩现象。从硅基超表面发出的光具有良好的方向性和波长依赖性。蓝绿色光主要在硅基超表面平面内发射，可被耦合至硅波导中，其偏振方向沿配对硅纳米立方体的对称轴排列，且与激发激光的偏振方向无关。为实现硅基超表面的自吸收腔或激光发射，需将具有更高品质因数（Q值）的布里渊区耦合器向可见光谱范围迁移。尽管如此，本文的研究成果为设计与硅波导耦合的硅基光源提供了重要参考，并为实现硅基激光器的开发铺平了道路。

论文信息：Mao, Y., Zhou, L., Wang, Z., Liu, S., Deng, F., Li, J., ... & Lan, S. (2025). Lateral, Directional, and Polarized Light Emission from a Silicon Metasurface. Nano Letters.

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