谷霍爾納米雷射器研製成功

江蘇雷射聯盟導讀：

近日發表在《Light Science & Application》上的一篇論文中，由澳大利亞國立大學的Yuri Kivshar和韓國大學的Hong-Gyu Park領導的科學家團隊及其合作者在包含III-V半導體量子井的納米圖案InGaAsP膜中實現了納米光子腔。該納米空腔表現出谷地霍爾效應的光子模擬。研究人員展示了來自該結構的拓撲帶隙內的空腔模式的室溫低閾值雷射。

光的拓撲相位為創造不受散射損耗和無序影響的光子系統提供了獨特的機會。在這個範圍內，拓撲上魯棒的波傳輸通常依賴於由不同拓撲不變量表徵的域之間的界面支持的對稱保護邊緣狀態。主動光學系統中非厄米性和拓撲之間的協同作用提供了由非厄米哈密頓量支配的新物理和製造缺陷容限的拓撲雷射器設計的潛在應用。

在光學晶片應用的推動下，為將拓撲光子技術應用到納米級做出了特殊努力。由高折射率介電材料製成的納米結構，具有設計合理的諧振元件和晶格排列，在光的拓撲有序的實際應用中顯示出特殊的前景。高折射率電介質可如III–V半導體之類的可以設計為包含強光學增益，通過拓撲場局部化進一步增強該增益，從而為有源拓撲納米光子學形成良好的平臺。在這個方向上，最近的兩項開創性研究採用了模擬一維(1D) Su–Schrieffer–Heeger模型的光子結構。

Su–Schrieffer–Heeger模型

2019年12月在發表的《A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection》一文中描述了在Kekulé圖案的InGaAsP平板中，使用帶反轉機制以二維（2D）六角形腔捕獲的體態進行雷射發射。這些研究令人興奮的是，拓撲的概念可以作為重要的指導方案，用於智能控制雷射腔拓撲腔中的邊緣和缺陷模式的數量，光譜分離，定位比例和質量因子。功率相對接近激射閾值的脈衝光抽運假設觀測結果可以很大程度上用線性模式的物理學來解釋。利用光子納米結構中的拓撲相位和超均勻性，為設計具有可控特性的高級集成納米級光源開闢了新的視野。

本文研究者研究嵌入2D拓撲晶格的谷霍爾納米光腔的雷射發射。些結構包括作為增益介質並在近紅外區域作為內部光探測器的III–V半導體量子阱。

圖1. 谷霍爾拓撲光子腔

研究人員計了一個拓撲腔，它基於蜂窩周期光子晶格中交錯子晶格勢的反轉所產生的谷霍爾效應。三角形空腔在電介質膜中實現，如上圖a所示。

研究人員使用電子束光刻和幹法刻蝕工藝從250μnm厚的InGaAsP平板製造拓撲腔，該平板結合了三個量子阱（如下圖2a中的SEM圖像）。製造參數接近於理論計算中使用的參數。在疇壁處，兩個較大的孔彼此面對放置。我們三角形拓撲腔的一側的長度為7個晶格周期，約3.22μm。

圖2. 拓撲腔中的雷射

圖解：a. 製作樣品的掃描電子顯微鏡圖像。偽彩色三角形標誌著拓撲腔的內部。b. 發射能量與泵浦能量的關係顯示了向激射的閾值轉變。樣品在980納米波長下以10千赫的重複頻率用8納秒脈衝進行光抽運。泵浦強度的發射空間分布c下方和d高於雷射閾值。e發射光譜顯示向窄線寬激射的轉變。在雷射區域，FWHM(半峰全寬)不超過2納米，解析度受分光計限制

發射曲線顯示了沿三角腔整個周邊的增強，與邊緣狀態有關。當增加一個泵浦功率時，研究人員觀察到一個閾值過渡到具有窄線寬的雷射，發射被限制在三個角上。當兩個點被隔離時，發射的相干性通過在測量的遠場輻射模式中觀察到的幹擾邊緣得到證實。研究人員分離出一個單獨的雷射點，並在傅立葉空間中測量其方向性圖(圖3f)。我們觀察到一個帶有奇點的環形光束。我們注意到奇點只在傅立葉空間中觀察到，而真實空間圖像(圖3e)顯示發射器的位置，而不是發出光的方向。這些發現使一步拓撲控制的超薄光源具有非同尋常的輻射特性。

圖3. 雷射發射的相干和遠場模式

研究人員預測：&34;

參考文獻：

Ota, Y. et al. Topological photonic crystal nanocavity laser. Commun. Phys.1, 86 (2018).

Shao, Z. K. et al. A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection. Nat. Nanotechnol.15, 67–72 (2020).

本文來源：DOI:10.1038/s 14377-020-00350-3