[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种基于全介质半导体Kagome光子晶体的拓扑绝缘体激光器，利用谷-霍尔效应在光通信波段实现低于光速线的鲁棒、宽带边缘态。该系统通过平面集成平台中的谷极化边缘态实现激光模式的拓扑保护，实现了高效、拓扑保护的光生成，并增强了对无序和缺陷的鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于具有非平凡拓扑特性的光子晶体的全介质平面拓扑激光平台。
• 利用Kagome光子晶体中的谷-霍尔效应，实现低于光速线的鲁棒边缘态。
• 在通信波长范围内，通过半导体腔体实现拓扑保护的激光输出。
• 通过可扩展的集成光子系统中谷极化边缘态的实现，展示宽带、缺陷不敏感的激光输出。

提出的方法

• 设计具有破缺反演对称性的平面全介质半导体Kagome光子晶体晶格，以诱导谷-霍尔效应。
• 调控光子能带结构，以在光通信波段（约1550 nm）实现低于光速线的宽带边缘态。
• 利用光子晶体中的选择性谷指数，将谷极化边缘态作为激光模式。
• 在光子晶体腔体中引入半导体增益材料，以实现光放大。
• 使用有限差分时域（FDTD）和本征模方法，对激光阈值和模场特性进行仿真与分析。
• 通过数值模型验证拓扑鲁棒性，包括散射行为和缺陷免疫的激光输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kagome晶格中的谷-霍尔光子晶体是否能在光通信波段低于光速线的条件下支持宽带、拓扑保护的边缘态？
• RQ2 如何在平面全介质半导体平台上，通过谷极化模式实现拓扑激光？
• RQ3 该系统在激光运行过程中对结构无序和缺陷的鲁棒性达到何种程度？
• RQ4 当增益引入到拓扑保护的边缘态时，其光谱和模场行为如何？

主要发现

• Kagome光子晶体结构在1550 nm波段支持低于光速线的宽带边缘态，可实现高效的激光输出。
• 由于光子谷-霍尔效应，形成了谷极化边缘态，为散射提供了拓扑保护。
• 即使存在结构缺陷，系统仍表现出鲁棒的激光输出，证实了其拓扑免疫性。
• 全介质设计可实现低损耗、高品质因子的腔体，适用于集成光子应用。
• 仿真结果表明，使用实际的半导体增益材料可实现可实现的激光阈值，支持实际器件集成。