硅基室温连续波拓扑狄拉克涡旋微腔激光器

a, 在硅衬底上外延生长的狄拉克涡旋拓扑激光器的概念图。光子晶体结构是在有源层中确定的，并通过部分去除牺牲层而悬浮起来。 b, 制作的拓扑狄拉克涡旋光子晶体腔的倾斜视角扫描电子显微镜图像。c, 包含四叠 InAs/InGaAs QD 层的有源层的横截面明场透射电子显微镜图像。资料来源：马京文、周涛杰、唐明初、李浩川、张展、奚翔、Mickael Martin、Thierry Baron、刘慧云、张兆宇、陈思明和孙宪凯。

随着数据流量的爆炸式增长，开发在单个芯片上集成各种光学元件的混合光子集成电路已成为当务之急。

硅是光子集成电路 (PIC) 的理想材料，但在硅上实现高性能激光源仍然具有挑战性。在硅上单片集成 III-V 量子点（QD）激光器被认为是解决这一问题的可行策略。

然而，大多数现有的 QD 微腔激光器对腔的变化相当敏感，这从根本上限制了 QD 微腔激光器的性能。

在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由中国香港特别行政区沙田香港中文大学的孙宪凯教授、中国广东深圳香港中文大学的张兆宇教授和英国伦敦大学学院的陈思明博士领导的科学家团队，对现有 QD 微腔激光器的腔体变化非常敏感，这从根本上限制了 QD 微腔激光器的性能。来自英国伦敦大学学院的陈思明博士在实验中展示了室温连续波段的狄拉克涡旋拓扑激光器，该激光器是在同轴硅衬底上单片生长的 InAs/InGaAs QD 材料制成的，波长为电信波长。这一进展将为具有拓扑稳健性的下一代硅基 PIC 铺平道路。

迪拉克涡旋态是超导体电子系统中著名的马约拉纳费米子（即所谓的 "天使粒子"）的数学类似物，最近被发现是为经典波提供紧密而稳健的约束的一种新策略。这种方法具有显著的优势，例如自由光谱范围比大多数现有光腔更大，因此非常适合实现单模面发射激光器。

研究人员利用拓扑绝缘体中的辅助轨道自由度，设计并制造出了狄拉克涡旋光子晶体激光器。通过这种方法，他们能够控制狄拉克涡旋腔的近场，从而获得线性偏振远场发射。随后，他们在室温下观察到了这些空腔在连续波光泵浦作用下发出的垂直激光。

狄拉克涡旋 QD 激光器的这一突破性成果不仅有望成为下一代硅基光子集成电路的片上光源，还为探索非恒定性、玻色非线性和量子电动力学等拓扑现象打开了大门。这将极大地推动光电子学领域的发展，并为更高效、更强大的通信技术铺平道路。
 

参考资料

Jingwen Ma et al, Room-temperature continuous-wave topological Dirac-vortex microcavity lasers on silicon, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01290-4