Light 拓扑身形BIC赋能太赫兹量子级联激光

时间: 2024-02-20 06:56:15 |   作者: 产品动态

  电泵浦半导体激光器是光通信、光传感和量子信息等范畴不可或缺的中心器材；紧凑型半导体激光器对超大规模集成的高功能光子芯片具有极端严重的科学价值和使用含义。

  完成紧凑型激光器底子在于减小光学腔内光学形式的体积模量的一起坚持该光学形式的质量因子。平板光子晶体缺点态构成于光子晶体带隙中，具有极小的体积模量，被大范围的使用于低阈值半导体激光器。但是，光子晶体缺点态简单受结构误差影响，且输出功率遍及较低。具有接连谱中的束缚态（极高质量因子的光子晶体带边形式）的平板光子晶体能够有显着效果地提高激光器的输出功率，并具有必定的鲁棒性，但是其器材标准常常要几十上百个周期，以增强光学形式的面内局域性。

  近年来，具有能带拓扑特性的光子晶体结构是光子学的研讨热门。对具有特别拓扑性质的光子结构而言，空间上的缺点和无序只会引起局部参数改变，不影响该空间的大局性质。因而，集成光子拓扑态的半导体激光器完成了史无前例的鲁棒性。但是，就电泵浦半导体激光器而言，在确保器材光学形式鲁棒性的基础上完成对激光器功能的提高，如光束赋形、极化调控、高功率输出、大面积单模输出等，一直是该范畴的重要应战。

  近来，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Qi Jie Wang教授团队及其合作者们经过构建拓扑能带翻转的身形接连谱中的束缚态（Bound states in the continuum，或BICs），在量子级联激光芯片中一起完成全动态范围内单模和矢量光场输出的太赫兹量子级联激光器。

  如图1a所示，拓扑身形BIC量子级联激光器由拓扑非平凡光子晶体结构作为光学谐振腔，外围包覆拓扑平凡光子晶体结构。因为不同的拓扑相，非平凡光子晶体结构中的光学形式不能跨过拓扑界面，构成光子晶体板面内模场局域。该光子晶体激光器单元结构在正六边形晶格的中心和六个顶角刻蚀圆柱空气孔洞。因为级联量子阱上下掩盖金属，该拓扑光子晶体激起TM极化（面外电场）的能带。拓扑非平凡光子晶体出现能带翻转，其正交简并的两个四极子形式出现在低频，如图1d所示。

  图1.a、b拓扑身形BIC激光器加工样品图和c器材结构示意图。a中N为非平凡光子晶体腔的横向周期数。d 经过调理光子晶体六方晶格的孔洞巨细，其身形带边形式出现翻转（即四极子形式出现在低频），为拓扑非平凡相；e 反之则为拓扑平凡相。有必要留意一下的是，该四极子形式在布里渊中心显示出无穷大的质量因子。

  值得留意的是，无论是拓扑平凡或非平凡能带，其四极子形式在布里渊中心显示出无穷大的质量因子，即接连谱中的束缚态。规划拓扑平凡光子晶体结构包覆非平凡光子晶体谐振腔，主要有以下几个方面的优势：

  1. 拓扑平凡-非平凡拓扑相的不同使得谐振腔内的光学形式在面内维度完成高强度局域；

  2. 身形BIC使得谐振腔内的光学形式在面外维度完成高强度局域，结合第一点，使得身形BIC具有最大化的增益竞赛，确保激光器的单模输出特性；

  3. 光子晶体BIC具有远场极化拓扑荷，使得激光辐射光场因而具有非平凡的矢量光斑特性；

  图2为拓扑身形BIC量子级联激光器的试验丈量效果。试验加工器材N=7，激光频率在2.93 THz邻近，激光器材的泵浦区域的横向标准约为3个激光波长，如图2b所示。激光器在全动态范围内坚持杰出的单模输出：在最大输出条件下，其边模按捺比可达20 dB，如图2b、2c所示。试验测得的远场光斑具有矢量特性，即光场中心能量最弱，且在激光器和探测器中心刺进线偏振片，光斑出现安稳的随偏振角改变的瓣状散布，如图2d所示。

  图2.a 试验丈量的光强-电流密度-电压的接连改变曲线（L-I-V curves）。b拓扑身形BIC激光器的单模特性，其在最强输出时边模按捺比可达20 dB。c 全动态泵浦范围内的单模输出。d 远场光斑散布与矢量光场剖析。

  该研讨有效地结合能带翻转的BIC和平凡-非平凡拓扑相一起完成笔直和水平方向维度的光场局域，然后取得紧凑型的电泵浦太赫兹量子级联激光器。因为能带翻转的身形BIC形式的质量因子最大且远场具有极化拓扑特性，该激光器出现全动态范围内的单模激光和矢量光场输出。此外，文章还探讨了拓扑身形BIC在大标准条件下的模场均一性、高功率单模输出、以及高纯度柱状矢量光场辐射等特性。该效果有望成为6G无线通信中的中心有源器材，并在太赫兹超分辩成像、太赫兹激光雷达、和太赫兹生物化学传感等相关范畴有着重要的效果。

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