Light | 纳米光子拓扑腔的室温激光- 大数跨境

两江科技评论

2020-07-29

撰稿 | 唐江山

导读

近日，澳大利亚国立大学，物理研究学院非线性物理中心Yuri Kivshar团队与俄罗斯科学院应用物理研究所、印度理工学院物理系以及韩国高丽大学物理系合作，提出并演示了在实验中加入III-V半导体量子阱作为增益介质的有源纳米光子拓扑腔。

所提出的全介电平台为集成光源的有源拓扑超表面的通用设计带来了希望。该发现向具有非平凡辐射特性的拓扑控制的超小型光源迈出了重要的一步。非平凡拓扑结合光增益在光子学应用中具有巨大的潜力。

研究背景

光拓扑相位的研究为具有特殊性质的工程抗紊乱紧凑光子器件奠定了一个有前途的范例。拓扑上稳健的波传输通常依赖于对称保护的边缘态，这些边缘态由具有不同拓扑不变量的区域之间的界面所支持。在有源光学系统中，非厄米性和拓扑之间的协同作用既提供了由非厄米性哈密顿控制的新物理，也为拓扑激光器的设计提供了具有优越特性和对加工缺陷的容受性的潜在应用。

最近的实验演示了包括在微谐振腔阵列中基于拓扑保护边缘态的单模激光发射和任意形状磁场偏置光子晶体腔的激光发射的单向外耦合。在激光阈值以上，增益饱和和其他非线性效应也变得至关重要（例如克尔自作用），这些非线性效应在将拓扑光子学和非线性光学相连接方面提出了有趣的新挑战。

在光学芯片应用的推动下，将拓扑光子学引入纳米尺度的研究已经取得了很多特别的进展。由高折射率介电材料和精心设计的谐振元件和晶格排列组成的纳米结构，在实际实现光的拓扑序方面显示出特殊的前景。

这里，研究者们设计了一个基于蜂窝周期光子晶格中交错亚晶格势反转形成的封闭谷-霍尔畴壁的拓扑腔 [图1]。

图1：谷霍尔拓扑光子腔。a: 在二聚石墨烯晶格中通过打破宇称对称形成封闭畴壁，形成等边三角形(红色区域)。阴影黄色条纹显示了一个锯齿状切割的超晶胞。b, c: 结构光学模式的紧束缚模型可视化。

腔的有源元件由III-V半导体量子阱的嵌入层提供。高折射率介质如III-V半导体可以被设计成包含由拓扑场局域增强的强光学增益，从而形成一个有利的有源拓扑纳米光子学平台。利用光子纳米结构中的拓扑相位和超均匀性，为设计具有可控性能的先进集成纳米级光源开辟了新的领域。

创新研究

研究人员利用这些二维纳米拓扑腔演示了具有窄光谱、高相干性和阈值行为的室温激光 [图2]。

图2：拓扑腔中的激光。a：样品的扫描电镜图像 b: 能量发射与泵浦能量的关系，显示了一个到激光的阈值过渡。(c, d)在激光阈值以下和(d)以上泵浦强度的发射空间分布。e: 发射光谱显示过渡到窄线宽激光

同时，当两个发射点在真实空间中被孤立时[图3 (a,c)]，可以观察到傅里叶空间中的干涉图案[图3 (b,d)]，这表明发射是相干的。这些结果说明图中的三个模式是彼此耦合的，测量的干涉图像显示出了激光的特征。

图3：激光发射的相干和远场模式

当分离出一个单独的激光点并在傅里叶空间中测量时[图3 (f)]，可以观察到一个带有奇点的环状光束。这样的奇点只有在傅里叶空间中可以观察到，而在实际空间中则显示发射点的位置而不是光发射的方向[图3 (e)]。

文章信息：

该文章发表在国际顶级光学期刊Light: Science & Applications，题为“Room-temperature lasing from nanophotonic topological cavities”，

Daria Smirnova，Aditya Tripathi，Sergey Kruk和Min-Soo Hwang为论文的共同第一作者，Yuri Kivshar，Hong-Gyu Park为通讯作者。

论文全文下载地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-00350-3

☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心

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