une, Image de microscopie électronique à balayage d'une cavité cristalline photonique topologique 2D fabriquée de forme carrée. L'encart sur la droite montre une image agrandie autour du coin. La barre d'échelle est de 1 µm. La nanocavité topologique est constituée de deux cristaux photoniques topologiquement distincts, qui sont indiqués par les zones rouges et bleues. Ils ont des cellules unitaires différentes, comme indiqué dans les encarts. d et D sont les longueurs des carrés dans les mailles bleues et rouges, dans laquelle D =2d. b, Profil de champ électrique de l'état du coin topologique. Crédit :par Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Est-ce que Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang et Xiulai Xu
Les applications de la photonique topologique ont été intensivement étudiées, y compris le guide d'ondes unidirectionnel et les lasers topologiques. Les lasers topologiques en particulier ont attiré une large attention ces dernières années, qui ont été proposées et démontrées dans divers systèmes, y compris les états de bord 1D dans les systèmes 2D, états aux limites 0-D dans le réseau 1-D, et état global topologique autour des bords de bande. La plupart d'entre eux sont à micro-échelle. Le nanolaser topologique à faible encombrement, un seuil bas et une efficacité énergétique élevée n'ont pas encore été explorés. Récemment, un nouveau type d'isolants topologiques d'ordre supérieur qui ont des états limites de dimension inférieure a été proposé et démontré dans de nombreux systèmes, y compris le cristal photonique 2D. Dans la dalle de cristal photonique topologique 2-D du second ordre, il existe les états de bord 1-D avec espacement et l'état de coin 0-D à mi-espace. Cet état de coin localisé fournit une nouvelle plate-forme pour réaliser des nanolasers topologiques.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Xiulai Xu du Laboratoire national de physique de la matière condensée de Pékin, Institut de physique, Académie chinoise des sciences, Chine, et des collaborateurs ont démontré un nanolaser topologique à bas seuil dans une nanocavité à cristal photonique topologique 2D.
Sur la base de l'état de coin de second ordre, une nanocavité topologique est conçue et fabriquée. Le facteur de qualité (Q) est encore optimisé avec un maximum théorique de 50, 000. Il est démontré que l'état du coin est robuste contre les défauts du cristal photonique en vrac. Un comportement laser avec un seuil bas et un facteur de couplage d'émission spontanée (β) élevé est observé. Les performances sont comparables à celles des lasers à semi-conducteurs conventionnels, indiquant la grande perspective dans un large éventail d'applications pour les circuits nanophotoniques topologiques.
La nanocavité topologique se compose de deux types de structure cristalline photonique avec la structure de bande commune et des topologies différentes qui sont caractérisées par la phase Zak 2-D. D'après la correspondance volume-arête-coin, l'état de coin 0-D à mi-intervalle peut être induit par la polarisation dipolaire de bord quantifiée, qui est très localisé à l'intersection de deux frontières. Le Q est optimisé avec une distribution spatiale plus douce de l'état du coin en ajustant la distance d'écart (g) entre les dalles de cristal photonique triviales et non triviales.
une, Q calculé (rouge) et longueurs d'onde (noir) de l'état du coin pour différents g. L'encart montre le schéma de l'optimisation Q, dans lequel le cristal photonique topologique est éloigné du coin de 2g le long de la direction diagonale. b, Spectres de photoluminescence (PL) pour les cavités avec différents g. La ligne pointillée rouge représente l'état du coin. Ces pics dans la gamme des grandes longueurs d'onde proviennent d'états de bord. c, Spectres PL de cavités sans défaut, qui montrent les variations du mode de cavité par les imperfections de fabrication. ré, Spectres PL de cavités avec différents nombres de défauts, comme indiqué dans l'encart. Les chiffres représentent le nombre de trous carrés manquants dans la masse du cristal photonique. Ici, les trous carrés manquants sont à plusieurs périodes du coin. Les spectres PL sont décalés pour plus de clarté. Crédit :Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Est-ce que Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang et Xiulai Xu
une, Dépendance de la puissance de pompage de l'état du coin pour la cavité avec a =360 nm, D =222 nm et g =30 nm, sur une échelle logarithmique. L'encart montre la courbe agrandie autour du seuil sur une échelle linéaire. Les carrés représentent les données expérimentales, et la ligne représente le résultat ajusté obtenu avec le modèle laser à semi-conducteur. β est estimé à environ 0,25. Le seuil laser est d'environ 1 µW. b, Largeurs de ligne de l'état du coin en fonction de la puissance de la pompe. L'encart montre les spectres PL normalisés pour différentes puissances de pompe. La largeur de ligne montre un rétrécissement clair. Les largeurs de raie et les intensités sont toutes deux extraites en ajustant les spectres haute résolution avec les fonctions de pic de Lorentz. Crédit :Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Est-ce que Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang et Xiulai Xu
Les nanocavités topologiques conçues avec différents paramètres sont fabriquées en plaques de GaAs avec une haute densité de points quantiques d'InGaAs. La tendance de Q avec g est en bon accord avec la prédiction théorique, tandis que les valeurs sont approximativement un ordre de grandeur inférieur à la prédiction théorique en raison de l'imperfection de fabrication. Bien que le Q et la longueur d'onde de résonance de l'état de coin soient sensibles au désordre autour du coin, l'état du coin est topologiquement protégé par les phases Zak 2-D non triviales de la bande massive et robuste contre les défauts du cristal photonique massif, ce qui a été démontré expérimentalement.
Un comportement laser à haute performance est observé à 4,2 K avec des points quantiques comme milieu de gain. Le seuil laser est d'environ 1 W et est d'environ 0,25. Les performances sont bien meilleures que celles des lasers topologiques de bord, en particulier le seuil qui est d'environ trois ordres de grandeur inférieur à celui de la plupart des lasers de bord topologiques. Les performances élevées résultent du fort confinement optique dans la cavité dû au faible volume de mode et au Q élevé.
Ce résultat réduit les applications de la photonique topologique à l'échelle nanométrique, qui sera d'une grande importance pour le développement de circuits nanophotoniques topologiques. Par ailleurs, la nanocavité topologique peut grandement améliorer l'interaction lumière-matière, permettant ainsi l'étude de l'électrodynamique quantique des cavités et les autres applications potentielles dans les dispositifs nanophotoniques topologiques.
