반도체 레이저는 부피가 작고 효율이 높으며 수명이 길며 파장 범위가 넓고 통합 및 변조가 용이하며 통신, 가공, 의료 및 군사 분야에 널리 사용되고 있습니다. 여기서 단일 모드 장치는 이상적인 선 두께와 빔 품질로 인해 많은 응용 프로그램에서 선호되는 반면, 단일 모드 작업의 핵심은 모드 선택이며 모드 선택은 광결정 구조에 따라 달라집니다 (그림 1). 예를 들어 전체 광섬유 상호 연결 네트워크의 광원은 분산 피드백 레이저 (DFB, 그림 1, 왼쪽 위) 입니다. 초기 DFB 레이저는 1 차원 주기 래스터 구조를 사용하여 모드를 선택했지만, 두 모서리 밴드 모드가 서로 경쟁하기 때문에 단일 모드 출력이 안정적이지 않았습니다. 교과서 솔루션은 결함 (1/4 파장 이동, 그림 1 오른쪽 위) 을 도입한 다음 광자 밴드 틈 중간에 결함 패턴을 생성하여 안정적인 단일 모드 작동을 보장하는 것입니다. 또한 단거리 통신, 광학 마우스, 레이저 프린터 및 얼굴 인식에 널리 사용되는 수직 공동 표면 방출 레이저 (VCSELs) 의 공진기도 밴드 간 결함 상태를 사용하여 금형을 선택합니다. 그러나 두 주류 제품 모두 1 차원 광자 결정으로 금형을 선택했기 때문에 주기 구조가 없는 경우 다른 두 방향에서 치수는 파장 크기를 초과할 수 없습니다. 선택 메커니즘이 없기 때문입니다. 그렇지 않으면 다중 모드 자극입니다. 장치 크기가 올라가지 않으면 단일 모드 전력에 병목 현상이 발생할 수 있습니다. 단일 모드 전력을 높이는 자연 방안은 2 차원 광자 결정체 구조를 채택하는 것이다. 2 차원 광자 결정면 발사 레이저 제품 (PCSEL, 그림 1, 왼쪽 아래) 은 이미 일본 빈송사가 20 17 년 동안 성공적으로 발사해 넓은 면적의 단일 모드 출력, 고전력, 고전력 따라서 1 차원 메인스트림 제품인 DFB 및 VCSEL 처럼 견고한 2 차원 밴드 결함 패턴을 설계할 수 있다면 향후 고전력 단일 모드 레이저의 메인스트림 방향이 될 수 있습니다.
물리학연구소 연구팀은 토폴로지 원리를 이용하여 2D 밴드 갭 결함 모드의 광학 공진기를 설계했다. 이 팀은 먼저 DFB 와 VCSEL 의 1 차원 결함 상태가 실제로 토폴로지라는 것을 깨달았습니다. 이는 Shockely, Jackiw-Rebbi 및 SSH 모드를 포함한 많은 유명한 1 차원 토폴로지 모델과 같습니다. 특히 고에너지 물리학의 1 차원 Jackiw-Rebbi 모듈은 직접적인 2 차원 대응, 즉 Jackiw-Rossi 모듈로, Dirac 방정식의 질량 소용돌이 해법으로 원칙적으로 응축 시스템 (HCM 모델) 의 벌집 격자에서 넓은 의미의 케쿨러 변조를 통해 실현될 수 있다. 팀은 소용돌이를 통해 디락 광자 결정체를 조절하여 이 토폴로지 광강을 설계하고 실리콘 (SOI) 및 광통신 대역 (1550nm) 실험에서 이 디락 소용돌이를 구현했습니다 (그림 1, 오른쪽 아래). 이 포켓은 밴드 간 단일 모드, 임의 단순 모드, 최대 자유 스펙트럼 범위, 작은 원거리 발산각, 벡터 라이트 필드 출력, 모드 면적을 미크론에서 밀리미터로 조정 가능, 다양한 라이닝과 호환되는 우수한 특성을 제공합니다.
최적의 넓은 영역 단일 모드는 디락 소용돌이가 알려진 다른 광학 공동과 차별화되는 가장 독특한 장점입니다. 넓은 영역의 단일 모드는 단일 모드 레이저의 전력과 안정성을 높이는 데 도움이 됩니다. 시장에 대한 전력에 대한 수요는 항상 증가하고 있으며, 기존 제품은 단일 모드 에너지 수출에서 병목 현상을 겪고 있으므로 새로운 아이디어가 필요합니다. 또한 고전력과 단일 모드 자체는 한 쌍의 모순이다. 고전력은 넓은 면적의 광강이 필요하고, 패턴의 수는 광강의 크기에 따라 늘어나 단일 모드의 작동을 안정적으로 유지하기가 더욱 어려워지기 때문이다. 이제 디락 소용돌이의 출현은 잠재적인 신기술 노선이다. 광학강의 단태성은 자유 스펙트럼 범위 (FSR) 로 표기할 수 있다. 모든 광학 캐비티의 모드 간격 (FSR) 은 모드 볼륨 (V-1) 에 반비례하는 것으로 알려져 있으므로 FSR 을 늘리는 방법은 캐비티 볼륨을 줄이는 것입니다. 디락광강의 FSR 은 패턴 시스템의 루트 번호 (V-1/2, 그림 1 오른쪽 아래) 에 반비례하므로 동일한 모드 볼륨에서 FSR 은 일반 광강 (하나 또는 두 개의 크기) 보다 훨씬 높습니다. 이러한 차이는 일반 광강의 광자 상태 밀도가 0 이 아닌 상수, 모드 등 간격으로 배열되기 때문입니다. 그러나 디락점 주파수의 광자 상태 밀도는 0 이며 양쪽의 모드 간격 (FSR) 이 최대화됩니다 (그림 2, 왼쪽).
임의 모드의 제인은 디락 소용돌이의 또 다른 독특한 특징이다. 시스템의 토폴로지 불변량은 소용돌이의 굴곡 수 (W) 이기 때문에 토폴로지 중심 캐비티의 모듈은 W 와 같으며 양의 정수나 음의 정수가 될 수 있으며 모든 W 개 토폴로지 모듈은 주파수 감소에 가깝습니다. W=+ 1, +2, +3 의 실험 스펙트럼은 그림 2 의 오른쪽에 나와 있습니다. 고도로 단순화된 광학강은 다중 모드 레이저의 공간 일관성을 낮춰 레이저 조명 기술에 사용할 수 있습니다.
논문 통신작가는 물리학소 여령 연구원으로, 제 1 작가는 남개대학과 물리학소가 공동으로 양성한 박사생 고효매 (현물리학소 박사후) 와 물리학소 박사생양입니다. 다른 저자들은 물리학연구소 박사 임호, 남개대 학부생 장랑 (현재 예일대 박사생), 칭화대 고등연구원 왕중, 베이징공대물리학연구소 부연구원 이가방, 남개대학교 물리학과학학원 교수 방보 등이 있다. 위상미강의 샘플제비는 중과원 물리학소 마이크로가공실험실에서 완성됐고, 물리학소 박사후 이광예는 일의 후기 토론에 참여했다. 이 사업은 국가 중점 연구개발 프로그램 (20 17yfa0303800, 20 16yfa0302400), 국립자연과학기금 (1/KLOC) 을 확보했다.