導(dǎo)讀

近日，香港中文大學(xué)孫賢開教授團(tuán)隊(duì)、香港中文大學(xué)（深圳）張昭宇教授團(tuán)隊(duì)以及英國倫敦大學(xué)學(xué)院陳思銘博士團(tuán)隊(duì)合作，在Light: Science & Applications 上發(fā)表了題為“Room-temperature continuous-wave topological Dirac-vortex microcavity lasers on silicon”的文章。

研究團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)浣^緣體中的輔助軌道自由度設(shè)計(jì)和制造了首個(gè)室溫連續(xù)工作的拓?fù)涞依藴u旋微腔激光器。該激光器具有拓?fù)浞€(wěn)健性從而不受外來缺陷和腔體尺寸變化的影響，這有望革新芯片上CMOS兼容的光子和光電子系統(tǒng)的技術(shù)。這一突破為下一代具備更高穩(wěn)健性和多功能性的硅光子集成回路鋪平了道路。

馬靜文為本文的第一作者，孫賢開、張昭宇、陳思銘為本文的通訊作者。本研究受香港研究資助局、中國國家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究基金、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃、英國工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)、英國皇家工程院、法國國家研究機(jī)構(gòu)的資助。

為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長，人們發(fā)現(xiàn)有必要開發(fā)芯片上的集成光子回路，將各種光學(xué)元件混合集成在一起。硅是實(shí)現(xiàn)集成光子回路的優(yōu)秀材料，但在硅上實(shí)現(xiàn)高性能的激光器仍然具有挑戰(zhàn)性。硅上單片集成III–V族量子點(diǎn)（QD）激光器被認(rèn)為是解決這一問題的一種有前途的策略。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的QD微腔激光器對(duì)腔體變化非常敏感，這從根本上限制了QD微腔激光器的性能。

狄拉克渦旋態(tài)是凝聚態(tài)物理中的重要概念，在拓?fù)涑瑢?dǎo)系統(tǒng)中人們有望利用它實(shí)現(xiàn)著名的 “天使粒子”馬若約拉費(fèi)米子。此前，孫賢開教授團(tuán)隊(duì)于2021年發(fā)現(xiàn)聲學(xué)、光學(xué)等系統(tǒng)中的拓?fù)渚w可以具有一種額外的軌道自由度，從而可以在經(jīng)典的波動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)狄拉克渦旋態(tài)（https://doi.org/10.1038/s41565-021-00868-6）。

在此次研究中，孫賢開教授團(tuán)隊(duì)、張昭宇教授團(tuán)隊(duì)和陳思銘博士團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)一步將這一新奇的物理現(xiàn)象推向?qū)嵱?，利用軸向硅襯底上單片生長的InAs/InGaAs QD材料，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)室溫連續(xù)波狄拉克渦旋拓?fù)浼す馄鳎ㄈ鐖D1所示）。這一突破有望為具備拓?fù)浞€(wěn)健性的下一代硅光子集成回路鋪平道路。

圖1：硅基單片生長的狄拉克渦旋拓?fù)浼す馄?。a，硅基底上外延生長的狄拉克渦旋拓?fù)浼す馄鞯氖疽鈭D。b，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的拓?fù)涞依藴u旋光子晶體腔的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，500?nm。c，量子點(diǎn)亮場(chǎng)透射電子顯微鏡圖像，包含四層InAs/InGaAs QD層。比例尺，100?nm。

研究結(jié)果表明，狄拉克渦旋態(tài)非常適合應(yīng)用于激光器領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)激光器的設(shè)計(jì)，在相同體積下它具有更大的自由光譜區(qū)，因此非常適合實(shí)現(xiàn)大面積單模發(fā)射的激光器。團(tuán)隊(duì)通過利用拓?fù)浣^緣體中的輔助軌道自由度設(shè)計(jì)和制造了狄拉克渦旋光子晶體激光器，從而能夠精確控制狄拉克渦旋腔的近場(chǎng)，以獲得線偏振的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射。如圖2所示，在室溫條件下進(jìn)行連續(xù)波光學(xué)泵浦時(shí)，他們觀察到了垂直器件表面的激光發(fā)射。此外，由于此類狄拉克渦旋激光器是直接生長在硅襯底上的，利于與傳統(tǒng)的光電子芯片技術(shù)集成，對(duì)下一代具有穩(wěn)健性和多功能性的硅基光電集成芯片具有重要的意義。

圖2：狄拉克渦旋拓?fù)浼す馄鞯膶?shí)驗(yàn)表征。a，狄拉克渦旋激光器的微區(qū)熒光光譜隨泵浦功率的變化。b，微區(qū)熒光光譜強(qiáng)度（紫色點(diǎn)）和線寬（橙色方塊）隨泵浦強(qiáng)度的變化。c，當(dāng)泵浦強(qiáng)度為 0.395 kW cm?2時(shí)測(cè)得的微區(qū)熒光光譜。d，激光波長（紫色點(diǎn)）隨泵浦強(qiáng)度的變化。e，不同狄拉克渦旋激光器的激光光譜，表明可以實(shí)現(xiàn)1300–1370 nm波長范圍內(nèi)的精確調(diào)控。

總結(jié)與展望

本工作開創(chuàng)的狄拉克渦旋微腔激光器不僅有望成為下一代硅光子集成回路的光源，而且還為探索非厄密、玻色子非線性和拓?fù)鋺B(tài)量子電動(dòng)力學(xué)等新奇物理現(xiàn)象打開了大門。該激光器為光電子學(xué)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展鋪平了道路，并為更高效、更穩(wěn)健的通信技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

論文信息

Ma, J., Zhou, T., Tang, M. et al. Room-temperature continuous-wave topological Dirac-vortex microcavity lasers on silicon. Light Sci Appl 12, 255 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01290-4

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