科学视点

物理所等提出狄拉克涡旋拓扑光腔

  拓扑光子学开始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现,而另一种较常用的光学元件——光腔也可利用拓扑缺陷态做出性能上的创新。近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员陆凌等人的研究团队与合作者,理论提出并实验证实了一种新的拓扑光子晶体微腔——狄拉克涡旋腔,不但可以支持任意简并度的腔模,而且在目前已知光腔中,大面积单模性较好。这个拓扑光腔使半导体激光器在选模腔体设计上取得进展,为下一代高亮度单模面发射器件提供符合商用激光器历史规律的新发展方向,对激光雷达和激光加工等技术有潜在意义。该研究也是对拓扑物理应用出口的一次探索,相关研究成果以Dirac-vortex topological cavities为题,在线发表在Nature Nanotechnology上,相关专利已获得授权。

  半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广以及易于集成和调制等优点被应用于通信、加工、医疗和军事等领域。其中,单模器件因其较为理想的线宽和光束质量,成为众多应用的首选,而单模工作的关键是选模,依靠的均是光子晶体结构(图1)。如整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器(Distributed Feedback:DFB,图1左上),早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模,但是两个带边模式的相互竞争,导致单模工作较不稳定。解决方案是引入一个缺陷(四分之一波长的相移,图1右上),进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式,保证稳定的单模工作。此外,现在广泛用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别的垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL)的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而,由于上述两种主流产品均是采用一维光子晶体选模,因此其他两个没有周期结构的方向就因没有选模机制而难以在尺寸上超过波长量级,否则就会多模激射。器件尺寸上不去,单模功率也就遇到阻碍。一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构,而二维光子晶体面发射激光器(photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL,图1左下)的产品也已于2017年由日本滨松公司推出,其具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等优势,但PCSEL也至少有两个高品质因子(Q)的带边模式相互竞争。因此,如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样,设计出鲁棒的二维带间缺陷模式,有可能成为未来高功率单模激光器的重要方向。

  狄拉克涡旋光腔即是这种具有二维带间缺陷模式的拓扑光腔。研究团队意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的,与较多熟知的一维拓扑模型相等价,包括Shockely,Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应,即Jackiw-Rossi模式,是狄拉克方程的质量涡旋解,且原则上可在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现(HCM模型)。研究人员通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出这种拓扑光腔,并且实验上在硅晶片(SOI)上和光通信波段(1550nm)实现这种狄拉克涡旋腔(图1右下)。该腔可实现带间单模、任意多简并模式、最大的自由光谱范围、小远场发散角、矢量光场输出、模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等特性。

  大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的优势,大面积单模性有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对于功率的需求不断增长,已有产品在单模能量输出上已达到瓶颈,需要新的思路。并且高功率和单模本身就是一对矛盾,因为高功率需要大面积的光腔,而模式数量会随光腔的尺寸增加,让单模工作难以稳定维持。狄拉克涡旋腔便解决了这一传统矛盾,实现较好的大面积下的单模性。光腔的单模性可用自由光谱范围(Free Spectral Range:FSR)来表征,之前已知所有光腔的模式间距(FSR)均与模式体积成反比(V-1),所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是,狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比(V-1/2,图1右下),所以在同等模式体积下FSR超过普通光腔(大一到两个数量级)。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数,模式等间距排布;而狄拉克点频率处的光子态密度等于零,两边的模式间距(FSR)得以最大化(图2左)。此外,任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个较为独特的地方,因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数(winding number:w),所以拓扑中心腔模的数量等于w,可以是任意正负整数,而且所有w个拓扑模式都接近频率简并,图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性,可用于激光照明技术中。

  论文通讯作者为陆凌,论文共同第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅(现为物理所博士后)和物理所博士生杨乐臣,论文其他作者为物理所博士生林浩、南开大学本科生张琅(现为美国耶鲁大学博士生)、北京理工大学物理学院教授李家方(原物理所副研究员)、南开大学物理科学学院教授薄方以及清华大学高等研究院研究员汪忠。拓扑微腔的样品制备在物理所微加工实验室完成,物理所博士后李广睿参与工作的后期讨论。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项和北京市自然科学基金等的支持。

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  图1.狄拉克涡旋光腔与三种商用单模半导体激光腔的比较,这一发明符合产品的历史趋势,即从一维到二维,从边发射到面发射,从周期结构到拓扑缺陷模式的发展

  图2.(左)狄拉克腔光谱随着腔大小的演化和过偏振片后的远场光斑。(右)拓扑腔模的数量和简并度等于涡旋的缠绕数w,图中是w为1,2和3时的实验光谱


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