Progreso|Cavidad óptica topológica del vórtice de Dirac
Los láseres semiconductores tienen las ventajas de tamaño pequeño, alta eficiencia, larga vida útil, amplio rango de longitud de onda, fácil integración y modulación, etc., y se utilizan ampliamente en los campos de comunicaciones, procesamiento, médico y militar. Entre ellos, los dispositivos monomodo se han convertido en la primera opción para muchas aplicaciones debido a su ancho de línea y calidad de haz ideales. La clave para el funcionamiento monomodo es la selección del modo, que depende de la estructura del cristal fotónico (Figura 1). Por ejemplo, la fuente de luz para toda la red de interconexión de fibra es un láser de retroalimentación distribuida (DFB, Figura 1, arriba a la izquierda). Los primeros láseres DFB utilizaban una estructura de rejilla periódica unidimensional para seleccionar modos, pero la salida monomodo no era lo suficientemente estable porque los dos modos de banda lateral competían entre sí. La solución del libro de texto es introducir un defecto (un cambio de fase de un cuarto de longitud de onda, arriba a la derecha de la Figura 1) y luego crear un modo de defecto en el medio de la banda prohibida fotónica, asegurando así una operación monomodo estable. Además, las cavidades resonantes de los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), que se utilizan ampliamente en comunicaciones de corta distancia, ratones ópticos, impresoras láser y reconocimiento facial, también utilizan estados de defectos entre bandas para seleccionar modos. Sin embargo, dado que los dos productos principales anteriores utilizan cristales fotónicos unidimensionales para la selección de modo, en ausencia de una estructura periódica, el tamaño no puede exceder el nivel de longitud de onda en las otras dos direcciones, porque no existe un mecanismo de selección de modo, de lo contrario es Láser multimodo. Si el tamaño del dispositivo no aumenta, la energía monomodo encontrará un cuello de botella. Una solución natural para mejorar la energía monomodo es utilizar una estructura de cristal fotónico bidimensional. El producto láser de emisión de superficie de cristal fotónico bidimensional (PCSEL, Figura 1, parte inferior izquierda) fue lanzado con éxito por la compañía japonesa Hamamatsu en 2017. Tiene un láser monomodo de área grande. Tiene muchas ventajas, como salida de modo, alta potencia, ángulo de divergencia estrecho, etc., pero PCSEL también tiene al menos dos ángulos altos. Por lo tanto, si se puede diseñar un modo de defecto interbanda bidimensional robusto como los productos convencionales unidimensionales DFB y VCSEL, puede convertirse en la dirección principal de los láseres monomodo de alta potencia en el futuro.
El equipo de investigación del Instituto de Física utilizó principios topológicos para diseñar una cavidad óptica resonante con un modo de defecto de banda prohibida bidimensional. El equipo se dio cuenta por primera vez de que los estados de defectos unidimensionales en DFB y VCSEL son en realidad topológicos, lo que equivale a muchos modelos topológicos unidimensionales conocidos, incluidos los modos Shockely, Jackiw-Rebbi y SSH. En particular, el modo unidimensional Jackiw-Rebbi en física de altas energías tiene una contraparte bidimensional directa, el modo Jackiw-Rossi, que es la solución del vórtice de masas de la ecuación de Dirac y puede, en principio, usarse en panales. de sistemas de materia condensada (modelos HCM). Esto se logra mediante la modulación de Kekulé generalizada en la red cristalina. El equipo diseñó esta cavidad óptica topológica a través de cristal fotónico de Dirac modulado por vórtice e implementó experimentalmente esta cavidad de vórtice de Dirac en oblea de silicio (SOI) y banda de comunicación óptica (1550 nm) (Figura 1, abajo a la derecha). La cavidad puede lograr características excelentes como modo único entre bandas, cualquier número de modos degenerados, rango espectral libre máximo, ángulo de divergencia de campo lejano pequeño, salida de campo de luz vectorial, área de modo ajustable de micrómetros a milímetros y compatibilidad con una variedad de sustratos.
El mejor modo único de área grande es la ventaja más singular de la cavidad de vórtice de Dirac frente a otras cavidades ópticas conocidas. El monomodo de área grande es beneficioso para mejorar la potencia y la estabilidad de los láseres monomodo. La demanda de electricidad del mercado siempre está creciendo y los productos existentes han llegado a un cuello de botella en la producción de energía monomodo, lo que requiere nuevas ideas.
Además, la alta potencia y el modo único son inherentemente contradictorios, porque la alta potencia requiere una cavidad óptica de gran área, y el número de modos aumentará inevitablemente con el tamaño de la cavidad óptica, lo que hará más difícil mantener estable el funcionamiento monomodo. . Ahora, la aparición de la cavidad del vórtice de Dirac es una posible nueva ruta tecnológica. La naturaleza singlete de una cavidad óptica se puede caracterizar por el rango espectral libre: FSR. Es bien sabido que el espaciado modal (FSR) de todas las cavidades ópticas es inversamente proporcional al volumen modal (V -1), por lo que la forma de aumentar el FSR es reducir el volumen de la cavidad. La FSR de la cavidad óptica de Dirac es inversamente proporcional a la raíz del sistema modal (V -1/2, abajo a la derecha en la Figura 1), por lo que bajo el mismo volumen modal, la FSR es mucho mayor que la de las cavidades ópticas ordinarias ( uno o dos órdenes de magnitud mayor) ). La razón de esta diferencia es que la densidad del estado de los fotones en una cavidad óptica ordinaria es una constante distinta de cero y los modos están igualmente espaciados; sin embargo, la densidad del estado de los fotones en la frecuencia del punto de Dirac es igual a cero y el espaciado de los modos (FSR; ) en ambos lados está maximizada (Fig. 2, izquierda).
La degeneración de los modos arbitrarios es otra característica única de las cavidades de vórtice de Dirac. Dado que la invariante topológica del sistema es el número de devanados del vórtice (w), el número de modo en la cavidad central topológica es igual a w, que puede ser cualquier número entero positivo o negativo. Todos los modos topológicos w están cerca de la degeneración de frecuencia. . Los espectros experimentales para w=+1, +2, +3 se muestran en el lado derecho de la Figura 2. Las cavidades ópticas altamente degeneradas pueden reducir la coherencia espacial de los láseres multimodo y pueden usarse en tecnología de iluminación láser.
El autor correspondiente del artículo es el investigador Lu Ling del Instituto de Física. El primer autor es Gao Xiaomei, un estudiante de doctorado formado conjuntamente por la Universidad de Nankai y el Instituto de Física (ahora becario postdoctoral en el). Instituto de Física), y Yang, estudiante de doctorado del Instituto de Física. Otros autores incluyen a Lin Hao, estudiante de doctorado en el Instituto de Física, Zhang Lang, estudiante universitario de la Universidad de Nankai (ahora estudiante de doctorado en la Universidad de Yale), Wang Zhong, investigador del Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad de Tsinghua, Li Jiafang, investigador asociado del Instituto de Física del Instituto de Tecnología de Beijing, y Zhang Lang, profesor Fang Bo de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad de Nankai. La preparación de la muestra de la microcavidad topológica se completó en el Laboratorio de Microfabricación del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China. El becario postdoctoral Li Guangrui del Instituto de Física participó en las discusiones posteriores del trabajo. Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo (2017yfa0303800, 2016yfa0302400), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (11721404), el Proyecto Piloto de la Academia China de Ciencias (XDB33000000) y el Gobierno Municipal de Beijing.