来自北京理工大学博士张蔚暄与中国科学院物理研究所博士生谢昕为本文共同一作，通讯作者为许秀来研究员、张向东教授和牛智川研究员。合作者包括中国科学院物理研究所金奎娟研究员和王灿研究员以及中国科学院半导体研究所的倪海桥研究员，相关成果以“Low-threshold topological nanolasers based on the second-order corner state”为题，发表在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》。
撰稿 | 谢 昕
导读
拓扑激光具有对缺陷、微扰等的鲁棒性，在近几年来得到了广泛的关注与研究。目前的拓扑激光主要是基于拓扑边界态实现的，它们的尺寸通常在微米量级，这大大限制了它们进一步的集成与应用。因此，具有小尺寸、低阈值和高能效的拓扑纳米激光将具有广泛的应用前景，而这方面仍有待研究。
近日，中国科学院物理研究所许秀来研究员团队和北京理工大学张向东教授团队及中国科学院半导体研究所牛智川研究员团队合作在国际顶尖期刊Nature子刊：Light: Science & Applications 发表论文。他们基于二阶拓扑角态设计了具有高品质因子、低模式体积的拓扑光子晶体微腔，并利用高密度的InGaAs量子点作为增益介质实现了低阈值的拓扑激光，阈值约为1 μW，比一般的拓扑边界激光要小三个数量级左右。
研究背景
拓扑光子学是目前发展非常迅速的一个研究方向，它为设计和实现一些具有鲁棒性的光学器件提供了新的思路。其中，拓扑激光在近几年得到了广泛的关注与研究，并且已经在多种体系中被证明，包括二维体系中的一维拓扑边界态、带边的拓扑体态和一维体系中的零维拓扑边界态等。但是这些拓扑激光的尺寸主要是在微米量级，而且相对于传统的光学微腔，其阈值较大，这大大限制了其进一步的集成与应用。因此，研究具有小尺寸、低阈值和高能效的拓扑纳米激光对发展拓扑纳米光学器件和集成网络等具有重要意义。
拓扑纳米激光的实现离不开拓扑光学微腔的发展。最近，高阶拓扑绝缘体的提出与证明为拓扑光学微腔的设计提供了新的思路。在二阶二维拓扑绝缘体中存在着有间隙的一维边界态和无间隙的零维角态。这种零维拓扑角态为设计拓扑光学微腔提供了一种新的平台，从而为实现拓扑纳米激光奠定了基础。
创新研究
图1 拓扑光学微腔示意图
在二维光学体系中，Wannier类型的拓扑角态可以由非平庸的边界偶极极化引入。本工作基于这种Wannier类型的零维拓扑角态设计了拓扑光学微腔，如图1所示。该拓扑微腔包括两种光子晶体结构，它们具有相同的能带和不同的拓扑性质，其拓扑性质由二维Zak 相位描述。根据体-边-角对应关系，在两条边界的交界处会产生位于带隙的零维角态，而且其存在受拓扑保护。从图1的电场分布可以看出，该拓扑角态是高度局域的，因此具有较强的光束缚能力，可以大大提高光与物质的相互作用。
图2 拓扑角态随g的变化
同时，本工作通过调节两种光子晶体结构之间的距离g进一步优化了该拓扑微腔的品质因子，如图2所示。根据理论计算，当g = 60 nm时，拓扑角态的品质因子可高达50000，模式体积为0.61(λ/n)3。这种具有高品质因子、低模式体积的拓扑微腔为实现高性能的拓扑纳米激光提供了一个很好的平台。
研究人员在含有高量子点密度的GaAs平板上制备了这种拓扑光学微腔，实验发现虽然拓扑角态的频率和品质因子会受到制备误差的影响，但它的存在受拓扑保护，不受光子晶体体内缺陷的影响，如图3所示。利用量子点作为增益介质，研究人员观测到了基于这种拓扑角态的激光，如图4所示。其强度随激发功率的变化呈现s型曲线，阈值约为1 μW，自发辐射耦合系数为0.25。这是首次利用二阶拓扑角态实现低阈值激光，而且其阈值比目前的拓扑边界激光要小三个数量级左右，其性能接近于传统的光学微腔激光。
图3 制备误差及光子晶体体内缺陷对拓扑角态的影响
图4 拓扑激光
应用与展望
在本工作中，利用拓扑角态实现的激光将拓扑光子学的应用缩小到了纳米尺度，而且它具有小尺寸，低阈值和高能效等优点，为片上集成和进一步应用提供了可能性。此外，这种拓扑光学微腔具有高品质因子和低模式体积，可以大大增强光与物质的相互作用，因此可以用于研究腔量子电动力学、非线性效应等，同时对拓扑纳米光学及量子信息处理等的发展具有重要意义。
该研究成果以"Low-threshold topological nanolasers based on the second-order corner state "为题在线发表在Light: Science & Applications。
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00352-1
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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