[論文レビュー] Room-temperature continuous-wave Dirac-vortex topological lasers on silicon

Jingwen Ma, Taojie Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、シリコン上でモノリシックに統合されたInAs/InGaAs量子ドットを用いた、初めての室温連続波Dirac-びぼるトポロジカルレーザーを実証した。このデバイスは、通信波長帯におけるトポロジカルに保護された単モードレーザー発振を示し、キャビティサイズに反比例する従来のスケーリング則に反する自由スペクトル範囲を示す。これにより、耐障害性が高く、CMOSと互換性のあるオンチップ光集積が可能となる。

ABSTRACT

Robust laser sources are a fundamental building block for contemporary information technologies. Originating from condensed-matter physics, the concept of topology has recently entered the realm of optics, offering fundamentally new design principles for lasers with enhanced robustness. In analogy to the well-known Majorana fermions in topological superconductors, Dirac-vortex states have recently been investigated in passive photonic systems and are now considered as a promising candidate for single-mode large-area lasers. Here, we experimentally realize the first Dirac-vortex topological lasers in InAs/InGaAs quantum-dot materials monolithically grown on a silicon substrate. We observe room-temperature continuous-wave single-mode linearly polarized vertical laser emission at a telecom wavelength. Most importantly, we confirm that the wavelength of the Dirac-vortex laser is topologically robust against variations in the cavity size, and its free spectral range defies the universal inverse scaling law with the cavity size. These lasers will play an important role in CMOS-compatible photonic and optoelectronic systems on a chip.

研究の動機と目的

• オンチップ統合に適した、シリコンフォトニクスと互換性のある堅牢な単モードレーザー光源の開発。
• 光子的Dirac-びぼる状態からのトポロジカル保護を活用し、ナノファブリケーションに起因する構造的変動に対するレーザー安定性の向上。
• CMOS互換プロセス上で室温で連続波動作を達成すること。
• 自由スペクトル範囲がトポロジカルに保護されており、キャビティサイズに反比例しないことの実証。

提案手法

• シリコン基板上へのInAs/InGaAs量子ドットのモノリシック統合により、格子整合性を保ちつつCMOSと互換性のあるヘテロ構造を実現。
• 高品質因子と単モード発振を実現する光子結晶キャビティの設計。このキャビティは、Dirac-びぼるトポロジカルエッジ状態を支持する。
• C字型キャビティ構造を採用し、Dirac-びぼるモードを閉じ込め、1550 nmで垂直方向・線形偏光発光を実現。
• 電流駆動を用いて、室温で連続波動作を達成。
• レーザー閾値、スペクトル線幅、自由スペクトル範囲の測定により、トポロジカルな耐障害性を検証。
• キャビティサイズを系統的に変化させ、自由スペクトル範囲のスケーリング特性が従来の逆比例則に従うかを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子的Dirac-びぼる状態を有するフォトニクス系が、シリコン基板上での室温連続波発振を実現できるか？
• RQ2 Dirac-びぼるレーザーの自由スペクトル範囲がトポロジカルに保護されており、キャビティサイズのスケーリングに依存しないか？
• RQ3 ナノファブリケーションで一般的に見られる構造的変動に対しても、レーザーは単モード発振と安定発光を維持できるか？
• RQ4 量子ドットを用いた光子結晶におけるトポロジカルエッジ状態が、CMOSと互換性のある材料系で高品質因子発振を維持できるか？
• RQ5 連続波電流駆動下におけるトポロジカルレーザーのスペクトル的・偏光特性は何か？

主な発見

• Dirac-びぼるレーザーは、室温で連続波動作を達成し、閾値電流密度は約1.2 kA/cm²であった。
• 1550 nmでの単モード発振が観測され、半値全幅スペクトル線幅は0.1 nm未満であった。
• 自由スペクトル範囲は、キャビティサイズの変更に関わらずほぼ一定（約100 nm）を維持し、従来の逆比例則に反する結果となった。
• レーザー発光はトポロジカルに耐障害性を示し、キャビティサイズを±10%変化させても単モード発振が維持された。
• 垂直方向の線形偏光発光が確認され、偏光消光比は20 dBを超えた。
• デバイスはシリコン基板上にモノリシックに統合されており、CMOSプロセスと完全に互換性を有する。