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基于二阶角态的低阈值纳米阵列

拓扑光子学的应用已经得到了广泛的研究,其中包括单向波导和拓扑激光器。特别是拓扑激光器近年来受到了广泛的关注,它在二维系统中的一维边缘态、一维晶格中的0-D边界态以及带边周围的拓扑体态等多个系统中得到了提出和论证。大多数都是微型的。这种占地小、门槛低、能源效率高的拓扑纳米激光器还有待探索。近年来,一种具有低维边界态的新型高阶拓扑绝缘子被提出并在包括二维光子晶体在内的许多系统中得到了应用。在二阶二维拓扑光子晶体平板中,存在一维间隙边缘态和中间间隙0-D角态。这种局域角态为实现纳米阵列提供了一个新的平台。

在发表在《光科学与应用》杂志上的一篇新论文中,中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室许秀来教授领导的一组科学家及其合作者在二维拓扑光子晶体纳米空间中演示了一种低阈值拓扑纳米激光器。

基于二阶角态,设计并制作了一种纳米拓扑结构。进一步优化质量因子Q,理论最大值为50000。实验证明,该角态具有较强的抗大块光子晶体缺陷的能力。观察到低阈值和高自发发射耦合因子的激光行为。其性能可与传统半导体激光器相媲美,表明拓扑纳米光子电路具有广阔的应用前景。

该拓扑纳米结构由两种具有共同带结构和不同拓扑结构的光子晶体结构组成,它们以二维Zak相为特征。根据体积边角对应关系,量子化的边缘偶极子极化可以诱导出中间间隙的0-D角态,并在两个边界的交点高度局域化。通过调整平凡和非平凡光子晶体板之间的间隙距离(g),使角态的空间分布更加平滑,从而使Q值得到优化。

将设计的不同参数的拓扑纳米材料与高密度的InGaAs量子点制备成GaAs平板。Q与g的变化趋势与理论预测吻合较好,但由于加工缺陷,数值与理论预测相差约一个数量级。虽然角态的Q和共振波长易受角附近的无序影响,但角态在拓扑上受到体带非小的二维Zak相的保护,并且对体带光子晶体中的缺陷具有鲁棒性,这已被实验证明。

以量子点作为增益介质,在4.2 K处观察到具有高性能的激光行为。激光的阈值大约是1万通英寸,而激光的最大输出功率是0.25英寸。其性能明显优于拓扑边缘激光器,特别是阈值比大多数拓扑边缘激光器低约3个数量级。由于模体积小、Q值高,在腔内形成了强的光约束,从而产生了高性能。

这一结果将拓扑光子学的应用缩小到纳米尺度,对拓扑纳米光子学电路的发展具有重要意义。此外,拓扑纳米特性可以极大地增强光与物质的相互作用,从而使腔量子电动力学的研究和拓扑纳米光子器件的潜在应用成为可能。

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