Автор: AZoNano 7 июля 2020 [194590000]

В прошлом исследователи тщательно анализировали применение топологической фотоники, такой как топологические лазеры и односторонний волновод.

В частности, топологические лазеры получили более широкое внимание в недавнем прошлом. Они были предложены и продемонстрированы в различных системах, таких как 0D граничное состояние в 1D решетке, 1D краевое состояние в 2D системах и топологическое объемное состояние вокруг края зоны. Большинство из них находятся в микромасштабе.

Исследователям еще предстоит исследовать топологические нанолазеры с низким порогом, компактным размером и высокой энергоэффективностью. Исследовательская группа недавно предложила и продемонстрировала новый тип топологических изоляторов высшего порядка с граничным состоянием более низкой размерности во многих системах, таких как 2D фотонные кристаллы.

Краевые состояния с 1-мерным зазором и 0D-состояния со средним зазором возникают в двумерной топологической фотонной кристаллической пластинке второго порядка. Это локализованное угловое состояние предлагает новую платформу для достижения топологических нанолазеров.

В новом исследовании, опубликованном в Light: Science & Applications исследовательская группа под руководством профессора Сюлай Сюй из Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред Института физики Китайской академии наук, Китай и его коллеги создали низкопороговый топологический нанолазер в двумерной топологической фотонно-кристаллической нанополости.

Топологическая нанополость спроектирована и разработана на основе углового состояния второго порядка. Коэффициент качества (Q) дополнительно улучшается с использованием теоретического максимума 50 000. Было показано, что угловое состояние устойчиво к дефектам в объемном фотонном кристалле.

Команда наблюдала генерацию с высоким коэффициентом связи спонтанного излучения (β) и низким порогом. Производительность была сопоставима с характеристиками традиционных полупроводниковых лазеров. Это говорит о том, что существует огромный потенциал для его использования в широком спектре приложений для топологической нанофотонной схемы.

Топологическая нанорезонатор состоит из двух типов фотонно-кристаллической структуры с общей зонной структурой, но различными топологиями, характеризующимися 2D фазой Зака. В соответствии углового положения объемного края поляризация квантованного краевого диполя, которая сильно локализована на пересечении двух границ, индуцирует состояние угла 0D в середине промежутка.

Q улучшается благодаря более плавному пространственному распределению углового состояния путем настройки расстояния зазора (g) между нетривиальными и тривиальными фотонно-кристаллическими пластинами.

Недавно разработанные топологические нанорезонаторы, которые демонстрируют различные параметры, внедряются в плиты GaAs с высокой плотностью квантовых точек InGaAs. Тенденция Q с g хорошо согласуется с теоретической оценкой, где значения почти на порядок ниже по сравнению с теоретическими оценками, вызванными недостатками при изготовлении.

Q и длина волны резонансного состояния уязвимы для беспорядка вблизи угла. Однако нетривиальные 2D-фазы Зака ​​объемной полосы топологически защищают угловое состояние, делая его устойчивым к дефектам в объемном фотонном кристалле, что было показано экспериментально.

При 4,2 К команда наблюдала генерацию с высокой производительностью, когда в качестве среды усиления использовались квантовые точки. β составляет около 0,25, а порог генерации составляет около 1 мкВт.

Производительность выше по сравнению с топологическими краевыми лазерами, в частности, с порогом, который почти на три порядка ниже по сравнению с большинством топологических краевых лазеров. Высокая производительность является результатом сильного оптического ограничения в резонаторе, вызванного высоким значением Q и малым объемом мод.

Результаты этого исследования уменьшают масштабы применения топологической фотоники в наномасштабах. Это будет иметь огромное значение для создания топологической нанофотонной схемы.

Кроме того, топологическая нанорезонатор может значительно улучшить взаимодействие между светом и веществом, облегчая тем самым исследование квантовой электродинамики резонатора и дальнейшее перспективное применение в топологических нанофотонных устройствах.

Журнал Ссылка:

Чжан В., и др. . (2020) Низкопороговые топологические нанолазеры на основе углового состояния второго порядка. Свет: наука и применение . doi.org/10.1038/s41377-020-00352-1.

Источник: http://english.ciomp.cas.cn/