[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文展示了首个基于外延生长于硅衬底上的InAs/InGaAs量子点、实现单片集成的室温连续波狄拉克-涡旋拓扑激光器。该器件在电信波段实现了拓扑保护的单模激光输出，其自由光谱范围（FSR）不遵循传统反比于腔尺寸的缩放规律，从而实现了鲁棒的、与CMOS工艺兼容的片上光子集成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种与硅光子学兼容、适用于片上集成的鲁棒单模激光源。
• 利用光子狄拉克-涡旋态的拓扑保护特性，提升激光器对结构变化的稳定性。
• 在CMOS兼容平台上实现室温下的连续波运行。
• 证明该激光器的自由光谱范围具有拓扑保护特性，且不随腔尺寸反比缩放，突破传统极限。

提出的方法

• 在硅衬底上单片外延生长InAs/InGaAs量子点，以实现晶格匹配、与CMOS工艺兼容的异质结构。
• 设计支持狄拉克-涡旋拓扑边缘态的光子晶体腔，具备高Q因子与单模激光输出。
• 采用C形腔结构以限制狄拉克-涡旋模式，实现1550 nm波段的垂直、线性偏振发射。
• 采用电泵浦方式，实现室温下的连续波运行。
• 测量激光阈值、光谱线宽与自由光谱范围，以验证其拓扑鲁棒性。
• 系统性改变腔尺寸，测试自由光谱范围与传统反比缩放定律的偏离行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子系统中的狄拉克-涡旋拓扑态是否能够在硅基平台上实现室温下连续波、单模激光输出？
• RQ2 狄拉克-涡旋激光器的自由光谱范围是否具有拓扑保护特性，且与腔尺寸缩放无关？
• RQ3 在典型纳米制造工艺中常见的结构变化下，激光器是否仍能保持单模运行与稳定发射？
• RQ4 基于量子点的光子晶体中的拓扑边缘态是否能在与CMOS兼容的材料体系中维持高品质因子激光输出？
• RQ5 在连续波电泵浦条件下，该拓扑激光器的光谱特性与偏振特性如何？

主要发现

• 该狄拉克-涡旋激光器实现了室温下的连续波运行，阈值电流密度约为1.2 kA/cm²。
• 在1550 nm波段观测到单模激光输出，半高全宽（FWHM）光谱线宽小于0.1 nm。
• 自由光谱范围在不同腔尺寸下保持近似恒定（约100 nm），违背了传统的反比缩放规律。
• 激光发射具有拓扑鲁棒性，在腔尺寸变化±10%时仍保持单模运行。
• 确认了线性偏振的垂直发射特性，偏振消光比超过20 dB。
• 器件实现了在硅衬底上的单片集成，具备与CMOS制造工艺兼容的潜力。