[논문 리뷰] Room-temperature continuous-wave Dirac-vortex topological lasers on silicon

Jingwen Ma, Taojie Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 연속파로 동작하는 첫 번째 Dirac-바람개비(topological) 레이저를 실리콘 기반에 단일결합된 InAs/InGaAs 양자점으로 실현하였다. 이 장치는 통신 파장에서 위상적으로 보호된 단일모드 레이저 작동을 보이며, 고전적인 역비례 법칙에 어긋나는 캐비티 크기와의 관계에서 자유 스펙트럼 범위를 유지함으로써, 강력하고 CMOS 호환성 있는 칩내 광학 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 칩내 통합에 적합한 실리콘 광학 기반의 강력하고 단일모드 레이저 소스를 개발하기 위해.
• 광학적 Dirac-바람개비 상태에서 유도되는 위상적 보호를 활용하여 구조적 변동에 대한 레이저 안정성을 향상시키기 위해.
• CMOS 호환 플랫폼에서 실온에서 연속파 동작을 달성하기 위해.
• 자유 스펙트럼 범위가 위상적으로 보호되어 캐비티 크기와 반비례하지 않으며, 고전적 한계를 초월함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 기반에서 격자가 일치하는 CMOS 호환성 있는 이종구조를 실현하기 위해 InAs/InGaAs 양자점을 실리콘 기판에 단일결합하는 것.
• 고 품질 인자와 단일모드 레이저 작동을 가능하게 하는 Dirac-바람개비 위상적 모서리 상태를 지닌 광학 격자 캐비티 설계.
• C자형 캐비티 기하구조를 사용하여 Dirac-바람개비 모드를 구속하고 1550 nm에서 수직적, 선형 편광 방출을 실현하는 것.
• 실온에서 연속파 동작을 달성하기 위해 전기적 펌핑을 적용하는 것.
• 위상적 안정성을 검증하기 위해 레이저 임계값, 스펙트럼 폭, 자유 스펙트럼 범위를 측정하는 것.
• 자유 스펙트럼 범위의 척도 행동을 고전적 역비례 법칙과 비교하기 위해 캐비티 크기를 체계적으로 변화시키는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 시스템에서 Dirac-바람개비 위상 상태가 실리콘 기반에서 실온에서 연속파로 동작하는 단일모드 레이저 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 Dirac-바람개비 레이저의 자유 스펙트럼 범위가 위상적으로 보호되어 캐비티 크기 척도와 독립적인가?
• RQ3 나노재료 제작에서 흔히 발생하는 구조적 변동 조건에서도 레이저가 단일모드 작동과 안정된 방출을 유지하는가?
• RQ4 양자점 기반 광학 격자에서 위상적 모서리 상태가 CMOS 호환 재료 체계에서 고 품질 인자 레이저 작동을 유지할 수 있는가?
• RQ5 연속파 전기 펌핑 조건에서 위상 레이저의 스펙트럼 및 편광 특성은 어떠한가?

주요 결과

• Dirac-바람개비 레이저는 약 1.2 kA/cm²의 임계 전류 밀도로 실온에서 연속파 동작을 달성하였다.
• 1550 nm에서 단일모드 레이저 작동이 관측되었으며, 반폭 전체 폭 스펙트럼 폭은 0.1 nm 이하였다.
• 자유 스펙트럼 범위는 캐비티 크기의 다양성 범위 동안 거의 일정한 (~100 nm) 값을 유지하였으며, 고전적 역비례 법칙과 어긋났다.
• 레이저 방출은 위상적으로 안정적이었으며, 캐비티 크기를 ±10% 범위에서 변화시켜도 여전히 단일모드 작동을 유지하였다.
• 선형 편광 수직 방출이 확인되었으며, 편광 제거 비율은 20 dB를 초과하였다.
• 장치는 실리콘 기반에 단일결합되어 있어 CMOS 제조 공정과의 호환성을 확보하였다.