導讀

近日，香港中文大學孫賢開教授團隊、香港中文大學（深圳）張昭宇教授團隊以及英國倫敦大學學院陳思銘博士團隊合作，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。

研究團隊利用拓撲絕緣體中的輔助軌道自由度設計和制造了首個室溫連續(xù)工作的拓撲狄拉克渦旋微腔激光器。該激光器具有拓撲穩(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。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、中國國家自然科學基金、深圳市基礎研究基金、深圳市重點實驗室計劃、英國工程與物理科學研究委員會、英國皇家工程院、法國國家研究機構的資助。

為了應對網(wǎng)絡數(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，將各種光學元件混合集成在一起。硅是實現(xiàn)集成光子回路的優(yōu)秀材料，但在硅上實現(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（QD）激光器被認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，在拓撲超導系統(tǒng)中人們有望利用它實現(xiàn)著名的 “天使粒子”馬若約拉費米子。此前，孫賢開教授團隊于2021年發(fā)現(xiàn)聲學、光學等系統(tǒng)中的拓撲晶體可以具有一種額外的軌道自由度，從而可以在經(jīng)典的波動系統(tǒng)中實現(xiàn)狄拉克渦旋態(tài)（https://doi.org/10.1038/s41565-021-00868-6）。

在此次研究中，孫賢開教授團隊、張昭宇教授團隊和陳思銘博士團隊合作，進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，實現(xiàn)了首個室溫連續(xù)波狄拉克渦旋拓撲激光器（如圖1所示）。這一突破有望為具備拓撲穩(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撲激光器。a，硅基底上外延生長的狄拉克渦旋拓撲激光器的示意圖。b，實驗實現(xiàn)的拓撲狄拉克渦旋光子晶體腔的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，500?nm。c，量子點亮場透射電子顯微鏡圖像，包含四層InAs/InGaAs QD層。比例尺，100?nm。

研究結果表明，狄拉克渦旋態(tài)非常適合應用于激光器領域，相比傳統(tǒng)激光器的設計，在相同體積下它具有更大的自由光譜區(qū)，因此非常適合實現(xiàn)大面積單模發(fā)射的激光器。團隊通過利用拓撲絕緣體中的輔助軌道自由度設計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，以獲得線偏振的遠場發(fā)射。如圖2所示，在室溫條件下進行連續(xù)波光學泵浦時，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)的光電子芯片技術集成，對下一代具有穩(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：狄拉克渦旋拓撲激光器的實驗表征。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)熒光光譜強度（紫色點）和線寬（橙色方塊）隨泵浦強度的變化。c，當泵浦強度為 0.395 kW cm?2時測得的微區(qū)熒光光譜。d，激光波長（紫色點）隨泵浦強度的變化。e，不同狄拉克渦旋激光器的激光光譜，表明可以實現(xiàn)1300–1370 nm波長范圍內(nèi)的精確調(diào)控。

總結與展望

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、玻色子非線性和拓撲態(tài)量子電動力學等新奇物理現(xiàn)象打開了大門。該激光器為光電子學領域的持續(xù)發(fā)展鋪平了道路，并為更高效、更穩(wěn)健的通信技術奠定了基礎。

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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