中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
L01組供稿
第94期
2020年11月17日
狄拉克渦旋拓撲光腔

  拓撲光子學開始于拓撲邊緣態作為魯棒波導的發現,而另一種最常用的光學元件--光腔也可以利用拓撲缺陷態做出性能上的獨特創新。近日,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室L01組陸凌研究員等人的團隊與合作者,理論提出并且實驗證實了一種全新的拓撲光子晶體微腔——狄拉克渦旋腔,不但可以支持任意簡并度的腔模,而且是目前已知光腔中, 大面積單模性最好的。這個拓撲光腔填補了半導體激光器在選模腔體設計上的空白,為下一代高亮度單模面發射器件提供了符合商用激光器歷史規律的新發展方向,對激光雷達和激光加工等技術有潛在的積極意義。此項工作也是對拓撲物理應用出口的一次探索,相關研究成果以“Dirac-vortex topological cavities”為題于2020年10月19日在線發表在Nature Nanotechnology雜志網站上(https://www.nature.com/articles/s41565-020-0773-7), 相關專利也已獲得授權。

圖1. 狄拉克渦旋光腔與三種商用單模半導體激光腔的比較,這一發明符合產品的歷史趨勢,即從一維到二維,從邊發射到面發射,從周期結構到拓撲缺陷模式的發展。

  半導體激光器因其體積小、效率高、壽命長、波長范圍廣、易于集成和調制等優點被廣泛應用于通信、加工、醫療和軍事等領域。其中單模器件因為其最理想的線寬和光束質量,成為眾多應用的首選,而單模工作的關鍵是選模,依靠的都是光子晶體結構(圖一)。比如整個光纖互聯網絡的光源是分布式反饋激光器(Distributed Feedback: DFB,圖1左上),早期的DFB激光器采用一維周期光柵結構選模,但是因為有兩個帶邊模式相互競爭,導致單模工作不夠穩定。教科書般的解決方案是引入一個缺陷(四分之一波長的相移,圖1右上),進而在光子帶隙正中間產生一個缺陷模式,保證了穩定的單模工作。此外,現在廣泛使用于近距離通訊、光電鼠標、激光打印機和人臉識別中的垂直腔面發射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL)的諧振腔也同樣利用了帶間缺陷態來選模。然而由于上述兩種主流產品都是采用一維光子晶體來選模的,所以在其他兩個沒有周期結構的方向就因為沒有選模機制而無法在尺寸上超過波長量級,否則就會多模激射。器件尺寸上不去,單模功率也就遇到了瓶頸。一個自然的提高單模功率的方案是采用二維光子晶體結構,而二維光子晶體面發射激光器(photonic-crystal surface-emitting lasers: PCSEL,圖1左下)的產品也已經在2017年由日本濱松公司成功推出,具有大面積單模輸出、高功率、窄發散角等多方面優勢,但PCSEL也至少有兩個高品質因子(Q)的帶邊模式相互競爭。因此,如果能像一維主流產品DFB和VCSEL那樣,設計出魯棒的二維帶間缺陷模式,有可能成為未來高功率單模激光器的主流方向。

  狄拉克渦旋光腔便是這種具有二維帶間缺陷模式的拓撲光腔。研究團隊首先意識到DFB及VCSEL中的一維缺陷態其實是拓撲的,與很多熟知的一維拓撲模型相等價,包括Shockely, Jackiw-Rebbi和SSH模式。特別是高能物理中的一維Jackiw-Rebbi模式有直接的二維對應,即Jackiw-Rossi模式,是狄拉克方程的質量渦旋解,并且原則上可以在凝聚態體系的蜂窩晶格中用廣義的Kekulé調制來實現(HCM模型)。團隊通過渦旋調制狄拉克光子晶體設計出了這種拓撲光腔,并且實驗上在硅晶片(SOI)上和光通信波段(1550nm)實現了這種狄拉克渦旋腔(圖1右下)。該腔可實現帶間單模、任意多簡并模式、最大的自由光譜范圍、小遠場發散角、矢量光場輸出、模式面積從微米到毫米范圍可調以及多種襯底兼容等優良特性。

 

圖2. 左) 狄拉克腔光譜隨著腔大小的演化和過偏振片后的遠場光斑。右)拓撲腔模的數量和簡并度等于渦旋的纏繞數w,圖中是w為1,2和3時的實驗光譜。

  最佳的大面積單模性是狄拉克渦旋腔有別于其他已知光腔的最獨特優勢,大面積單模性有利于提高單模激光器的功率和穩定性。市場對于功率的需求永遠在增長,已有產品在單模能量輸出上已經達到瓶頸,需要新的思路。而且高功率和單模本身就是一對矛盾,因為高功率需要大面積的光腔,而模式數量必然隨著光腔的尺寸增加,讓單模工作更加難以穩定維持,現在狄拉克渦旋腔便解決了這一傳統矛盾,把大面積下的單模性做到了極致。光腔的單模性可以用自由光譜范圍(Free Spectral Range: FSR)來表征,之前已知所有光腔的模式間距(FSR)都和模式體積成反比(V-1),所以增大FSR的方法就是減小腔的體積。 但是狄拉克光腔的FSR與模式體系的根號成反比(V-1/2,圖1右下),所以在同等模式體積下FSR遠超普通光腔(大一到兩個數量級)。形成這一區別的原因是普通光腔中的光子態密度為一個非零常數,模式等間距排布;而狄拉克點頻率處的光子態密度等于零,兩邊的模式間距(FSR)得以最大化(圖2左)。

  任意模式簡并度是狄拉克渦旋腔另一個獨特的地方,因為體系的拓撲不變量為渦旋的纏繞數(winding number: w),所以拓撲中心腔模的數量等于w,可以是任意正負整數,而且所有w個拓撲模式都是接近頻率簡并的,圖2右展示了w=+1,+2,+3的實驗光譜。高度簡并光腔能降低多模激光的空間相干性,可用于激光照明技術中。

  論文的通訊作者為物理所陸凌研究員,共同第一作者為南開大學與物理所聯合培養的博士生高曉梅(現為物理所博士后)和物理所博士生楊樂臣,其他作者為物理所博士生林浩、南開大學本科生張瑯(現為耶魯大學博士生)、北京理工大學物理學院李家方教授(原物理所副研究員)和南開大學物理科學學院薄方教授、清華大學高等研究院汪忠研究員。拓撲微腔的樣品制備在中科院物理所微加工實驗室完成,物理所博士后李廣睿參與了工作的后期討論。該工作得到了國家重點研發計劃(2017YFA0303800, 2016YFA0302400),國家自然科學基金 (11721404),中科院先導專項(XDB33000000)和北京市自然科學基金 (Z200008)等項目的支持。