[論文レビュー] Topological Insulator Laser Using Valley-Hall Photonic Crystals

Yongkang Gong, Stephan Wong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非相反性を有する全ダイエレクトリック半導体カゴメ光結晶を用い、バルク・ホール効果を利用して、光線速度以下で、通信帯域（1550 nm付近）におけるロバストでブロードバンドなエッジ状態を実現するトポロジカル絶縁体レーザーを提案する。このシステムは、平面的で統合型のプラットフォーム上で、バルク偏光エッジ状態を介してレーザー状態のトポロジカル保護を実現し、不純物や欠陥に対して耐性があり、効率的かつトポロジカルに保護された光の生成を可能にする。

ABSTRACT

Topological photonics has recently been proved a robust framework for manipulating light. Active topological photonic systems, in particular, enable richer fundamental physics by employing nonlinear light-matter interactions, thereby opening a new landscape for applications such as topological lasing. Here we report an all-dielectric topological insulator laser scheme based on semiconductor cavities formed by topologically distinct Kagome photonic crystals. The proposed planar semiconductor Kagome lattice allows broadband edge states below the light line due to photonic valley hall effect in telecommunication region, which provides a new route to retrieve nontrivial photonic topology and to develop integrated topological systems for robust light generation and transport.

研究の動機と目的

• 非自明なトポロジーを有する光結晶を用いた、全ダイエレクトリックで平面的トポロジカルレーザープラットフォームの開発。
• カゴメ光結晶におけるバルク・ホール効果を活用し、光線速度以下でロバストなエッジ状態を形成すること。
• 半導体キャビティを用いて、通信波長帯域におけるトポロジカルに保護されたレーザー発振を実現すること。
• スケーラブルで統合型の光子回路システムにおいて、バルク偏光エッジ状態を介してブロードバンドで欠陥に頑健なレーザー発振を実証すること。

提案手法

• 反転対称性が破れた全ダイエレクトリック半導体カゴメ光結晶格子の設計により、バルク・ホール効果を誘発する。
• 通信帯域（約1550 nm）における光線速度以下でブロードバンドなエッジ状態を形成するための光バンド構造の設計。
• 光結晶内の選択的バルクインデックスにより実現されるバルク偏光エッジ状態を、レーザー励起モードとして利用する。
• 光増幅を達成するため、光結晶キャビティ内に半導体発光材料を組み込む。
• 有限差分時間領域（FDTD）法および固有モード法を用いた、レーザー閾値およびモード特性のシミュレーションと解析。
• 数値モデルにおける散乱および欠陥に頑健なレーザー発振行動を通じて、トポロジカル耐性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カゴメ格子におけるバルク・ホール光結晶は、通信帯域における光線速度以下で、ブロードバンドかつトポロジカルに保護されたエッジ状態を支持できるか？
• RQ2 バルク偏光モードを用いた平面的で全ダイエレクトリックな半導体プラットフォームで、どのようにトポロジカルレーザーを実現できるか？
• RQ3 レーザー動作において、構造的不純物や欠陥に対して、このシステムはどの程度の耐性を示すか？
• RQ4 増幅を導入したトポロジカルに保護されたエッジ状態における、スペクトル的およびモード的挙動はいかなるものか？

主な発見

• カゴメ光結晶構造は、1550 nm帯域において光線速度以下でブロードバンドなエッジ状態を支持し、効率的なレーザー発振を可能にする。
• 光結晶バルク・ホール効果により、バルク偏光エッジ状態が形成され、散乱に対してトポロジカル保護が得られる。
• 構造的欠陥が存在する状況でも、レーザー発振がロバストに維持されることを確認し、トポロジカル免疫性を実証した。
• 全ダイエレクトリック設計により、低損失かつ高Qファクターのキャビティが実現され、統合光子素子用途に適している。
• シミュレーションにより、実用的な半導体発光材料を用いてもレーザー閾値が達成可能であり、実用的デバイス統合が可能であることが確認された。