Nature:谷邊緣模式發(fā)光的電泵浦拓撲激光器

  量子級聯(lián)激光器(QCL)是基于半導體多量子阱子帶間電子躍遷的電泵浦半導體激光器。由于其體積小、功率大、效率高的特點(diǎn)，它是中紅外和太赫茲重要的輻射源之一。它們的實(shí)際應用包括通信、數字信號處理、成像、傳感和光譜學(xué)。與任何激光器一樣，太赫茲量子級聯(lián)激光器的輸出特性取決于激光器諧振腔的設計，通常受到腔形狀的強烈影響。一個(gè)新穎的和極有希望的設計元素是利用拓撲結構中的邊緣態(tài)，它是具有魯棒性的行波模式，受基礎結構擾動(dòng)的影響很小，并且可以有效地繞過(guò)缺陷(在制造和包裝過(guò)程中可能出現的缺陷)和尖角。與常規電磁場(chǎng)模式不同的是，拓撲邊緣態(tài)可以抵抗局部駐波模式的形成，這有助于抑制空間燒孔效應。這對于量子級聯(lián)激光器來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別重要的考慮，因為它們的增益恢復速度比載流子擴散速度更快，這與傳統半導體激光器有極大的不同。

  拓撲邊緣態(tài)出現在拓撲性質(zhì)不同的空間區域的界面上。近年來(lái)，受到魯棒光學(xué)延遲線(xiàn)、放大器和其他器件工作的啟發(fā)，人們對在光子學(xué)中利用這種拓撲邊緣態(tài)已經(jīng)做了大量的研究工作。拓撲激光器已在類(lèi)似于Schrieffer-Heeger (SSH) 的一維系統中實(shí)現，其拓撲邊緣態(tài)是品質(zhì)因子很高的納米諧振腔模式，在適當的增益條件下可以激射。然而，一維系統的邊緣狀態(tài)不支持受拓撲保護的傳輸。對于二維晶格，實(shí)現光子拓撲邊緣狀態(tài)通常需要是用一些能夠有效打破時(shí)間反演對稱(chēng)性的設計，以避免使用磁性材料。例如，最近的二維拓撲激光器使用了一組環(huán)形諧振器(Science 359, eaar4005 (2018);Science 359, eaar4003 (2018) )，其中順時(shí)針或逆時(shí)針?lè )较騻鞑サ墓獠ㄔ谥C振器中充當一個(gè)光子偽自旋;偽自旋的交錯耦合可產(chǎn)生有效磁場(chǎng)，從而打破了結構的時(shí)間反演對稱(chēng)性。然而這種設計本質(zhì)上要求使用大大超過(guò)工作波長(cháng)的特征結構，比如環(huán)形諧振器。

  谷光子晶體(VPC)是二維valleytronic材料的光子類(lèi)似物。它們已經(jīng)在許多光子晶體幾何中得到了證明，在聲波晶體中也實(shí)現了類(lèi)似的谷邊緣拓撲保護態(tài)。在二維材料中，谷自由度的作用與自旋電子器件中的自旋相似，但不需要強自旋軌道耦合。同樣地，VPCs可以在波長(cháng)量級的高度緊湊結構中提供魯棒的光傳輸，而不需要磁性材料或復雜的光子自旋結構。因此，它們在緊湊型拓撲光子晶體激光器的實(shí)現上具有很好的應用前景。

  先前報道的拓撲激光器需要一個(gè)外部激光源來(lái)進(jìn)行光泵浦，且工作在傳統的近紅外光頻范圍內 (Science 358, 636–640 (2017);Science 359, eaar4005 (2018);Science 359, eaar4003 (2018) )。在這項研究中，研究人員利用了一種緊湊的谷光子晶體設計，通過(guò)在太赫茲量子級聯(lián)激光器晶圓上制造拓撲波導環(huán)路以支持拓撲邊緣態(tài)的傳輸、反饋和放大，從而實(shí)現了世界上第一臺電泵浦的拓撲激光器。研究人員將激光器的諧振腔設計成了一個(gè)三角形的環(huán)路，這與傳統的平滑形狀的圓形光學(xué)微腔非常不同。盡管有腔體尖角的存在，研究人員發(fā)現激光器激射峰具有規整的頻率間隔，且激射峰的頻率間隔表現出很強的魯棒性。這一特征在不同結構缺陷組合下仍然存在，包括:(i)沿臂或三角形頂角放置的點(diǎn)缺陷;(ii)圍繞三角形放置的一組點(diǎn)缺陷;以及(iii)沿三角形一邊設置的定向耦合波導。缺陷和耦合波導同時(shí)也起著(zhù)講諧振腔內部的光耦合到外界的功能。在以上構型中，研究人員發(fā)現激光模式的各種性質(zhì)都可以用VPC的拓撲谷邊緣態(tài)來(lái)解釋?zhuān)⑶遗c之一致。與之對比的是，在一個(gè)基于傳統設計的光子晶體缺陷波導的諧振腔中，激光模式的表現非常不同:它們趨向于局域化，并表現出高度不規則的模式間隔。

  圖1、基于谷光子晶體拓撲邊緣態(tài)電泵浦激光器的設計。a，谷光子晶體的單元格設計。b，基于三維有限元模擬計算的能帶結構。c, 拓撲波導超晶格的投影能帶結構。 d，120度折角拓撲波導傳輸模式的模擬電場(chǎng)分布(俯視圖和橫截面視圖)。e，20度折角拓撲波導的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像?？臻g區域1和空間區域2有相反的單元格取向，因此，兩個(gè)區域具有相反的谷陳(Chern)數。

  圖2。電泵浦拓撲激光器的結構與表征。a, 激光器的的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其諧振腔是一個(gè)等邊三角形。黃色陰影區是有電流注入的區域，而其他部分是無(wú)源的。綠色虛線(xiàn)兩個(gè)拓撲區域的交界面。黑色的矩形表示一個(gè)缺陷。b, 諧振腔本征模式的品質(zhì)因子。陰影部分表示谷光子晶體的能帶隙。c、各種缺陷結構的典型本征模場(chǎng)。d，各種缺陷結構的激光光譜。

  實(shí)驗表明三角形拓撲激光器的本征模式類(lèi)似于圓盤(pán)或環(huán)形腔中的回音壁模式。在3.192、3.224、3.258、3.288 THz處有規整間隔的激射峰(實(shí)心垂直灰線(xiàn));平均自由光譜范圍(FSR)與計算的本征模頻率的FSR相當。即使在三角形不同位置引入缺陷，激射峰的間距仍然保持了一定的魯棒性，充分說(shuō)明缺陷的引入不會(huì )破壞激光模式的行波波特性。為了比較，研究人員用同樣的谷光子晶體參數設計制作了一個(gè)由光子晶體波導(單元格具有統一的取向)形成的三角形諧振腔激光器。測試發(fā)現激光器的光譜上有隨機分布的激射峰，并且缺陷的位置對激射峰影響顯著(zhù)。當缺陷位置移動(dòng)到三角形空腔的一個(gè)角落時(shí)，將觀(guān)察到一組全新的發(fā)射峰。數值模擬顯示大量的本征態(tài)分布在光子能帶隙的上半部分，本征模式的頻率沒(méi)有明顯的規整間隔，模式的能量分布在三角形的不同部分。這反映了傳統波導模式有局部化的趨勢，區別于谷邊緣拓撲態(tài)模式。

  圖3。具有一組倏逝波耦合缺陷的拓撲激光器的表征結果。a，結構示意圖。右邊插圖是用擋板遮擋不同缺陷的示意圖。b，所有缺陷都沒(méi)有被遮蓋的情況下不同泵浦電流下的發(fā)光光譜c, d, e，在不同泵浦電流下，三種不同缺陷遮蓋情況所測得的發(fā)射光譜對比圖。

  為了探測拓撲激光模式的空間分布并驗證其行波性質(zhì)，研究人員制作了另一組激光器，其結構包含一組排列在三角形周邊的倏逝波耦合缺陷(圖3a)。缺陷與三角形諧振腔的距離為四個(gè)波長(cháng) (4l) , 因此一些拓撲腔激光模式能夠耦合到缺陷上，并將光散射到環(huán)境中。沿三角形每條邊的缺陷可以被統稱(chēng)為“發(fā)射通道”。研究人員選擇性地遮擋這些發(fā)射通道(即可以間接地探測激光模的空間分布)。當所有發(fā)射通道打開(kāi)時(shí)，可以觀(guān)察到拓撲激光模式對應的規整間隔的發(fā)射峰(圖3b)。接下來(lái)，研究人員依次覆蓋兩個(gè)發(fā)射通道，測量剩余通道的發(fā)射光譜(圖3a)。在這三種情況下，不同泵浦電流下的激光光譜和相對峰值強度基本相同(圖3c-e)，這表明激光模式在三角環(huán)形諧振腔的三個(gè)邊具有相同的強度。

  圖4、具有定向耦合波導的拓撲激光器的表征結果。a,結構示意圖。在三角形循環(huán)腔的底部有一個(gè)倏逝波耦合波導(如綠線(xiàn)所示),在波導的左邊和右邊兩端分別有一個(gè)二階耦合光柵。在耦合器的輸出面有選擇性地用擋板遮擋,以觀(guān)察激光模式的方向性。b,通過(guò)三維數值計算得到典型的拓撲本征模式的強度分布。c、d、左右兩邊分別被遮擋的情況下， (c) 拓撲邊緣態(tài)激光模式光譜和(d)非拓撲邊緣態(tài)激光模式光譜。對于拓撲邊緣態(tài)激光模式,激射峰具有類(lèi)似的峰值強度,而非拓撲邊緣態(tài)激光模式的激射峰值是完全不同的。

  拓撲邊緣態(tài)是由沿著(zhù)順時(shí)針(CW)或逆時(shí)針(CCW)方向傳播的簡(jiǎn)并對組成，其具有相同的強度分布、增益和垂直耦合速率。耦合模理論預測，每個(gè)拓撲的激光激射模都由一個(gè)CW和CCW模式等權疊加組成。CW和CCW模式模式的共存也解釋了為什么圖2中諧振腔中即使存在缺陷引起的后向散射也不會(huì )破壞行波特性。為了驗證這一點(diǎn)，研究人員在三角形激光諧振腔下方引入了一個(gè)額外的直形拓撲波導(圖4a)。每一個(gè)CW(CCW)模式倏逝耦合到直波導，向右(左)傳播，然后通過(guò)二階光柵將其輸出。實(shí)驗表明該激光器支持三種拓撲邊緣態(tài)激光模式。通過(guò)選擇性地遮蓋器件的左側或右側，可以觀(guān)察到每個(gè)激射模式從這兩個(gè)方向發(fā)出的強度大約相等(圖4c)，這表明CW和CCW模式具有相同的權重。作為比較，可以觀(guān)察到，在高抽運電流下，同樣的樣品也在鄰近的頻率范圍內(大約3.4 THz)支持非拓撲的激射模式。這些非拓撲的激射模式從兩個(gè)方向輸出非常不同的強度(圖4d)。這證明了拓撲邊緣態(tài)和非拓撲邊緣態(tài)激光模式在同一器件中的性質(zhì)差異。

  總 結

  總之，研究人員實(shí)現了第一個(gè)基于谷光子晶體拓撲邊緣態(tài)的電泵浦激光器，以及第一個(gè)在太赫茲頻率范圍內工作的拓撲激光器。通過(guò)研究幾種不同器件結構輸出特性，建立了一系列的證據來(lái)證明拓撲激光模式的行波特性。最值得注意的是盡管有尖銳的折角角和各種其他干擾，激光器的輸出始終具有規整的模式間距，這是因為拓撲邊緣態(tài)激光模式具有行波特性。展望未來(lái)，谷自由度具有被應用在其他有源光子器件中的潛力，而電泵拓撲激光器的實(shí)現為將拓撲保護應用到實(shí)際器件中指明了方向。該量子級聯(lián)激光器平臺除了有望成為一種魯棒的太赫茲光源外，還可以直接用于研究拓撲激光模式的動(dòng)力學(xué)和非線(xiàn)性特性。

  新加坡南洋理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院博士后曾永全博士為該論文第一作者，王岐捷教授，物理數學(xué)學(xué)院Chong Yidong教授和張柏樂(lè )教授共同指導了這一工作。英國利茲大學(xué)的Li Lianhe博士，Alexander Giles Davies教授和Edmund Harold Linfield教授參與了該課題的研究。該研究得到了新加坡教育部，新加坡國家研究基金(競爭性研究項目)，英國超太赫茲計劃，以及英國皇家學(xué)會(huì )和沃爾夫森基金會(huì )的支持。