De toepassingen van topologische fotonica zijn intensief onderzocht, inclusief eenrichtingsgolfgeleider en topologische lasers. Vooral de topologische lasers hebben de afgelopen jaren brede aandacht getrokken, die zijn voorgesteld en aangetoond in verschillende systemen, inclusief 1-D randtoestanden in 2D-systemen, 0-D grenstoestanden in 1-D rooster, en topologische bulktoestand rond bandranden. De meeste zijn op microschaal. De topologische nanolaser met een kleine footprint, laagdrempelige en hoge energie-efficiëntie moet nog worden onderzocht. Onlangs, een nieuw type topologische isolatoren van hogere orde met lagere dimensionale grenstoestanden is in veel systemen voorgesteld en aangetoond, inclusief 2-D fotonisch kristal. In de 2D topologische fotonische kristalplaat van de tweede orde, er bestaan ​​de gapped 1-D edge-states en mid-gap 0-D corner state. Deze gelokaliseerde hoektoestand biedt een nieuw platform om topologische nanolasers te realiseren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Xiulai Xu van het Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Instituut voor Natuurkunde, Chinese Wetenschapsacademie, China, en medewerkers hebben een laagdrempelige topologische nanolaser aangetoond in een 2-D topologische fotonische kristalnanoholte.

Gebaseerd op de tweede-orde hoektoestand, een topologische nanocaviteit wordt ontworpen en gefabriceerd. De kwaliteitsfactor (Q) wordt verder geoptimaliseerd met een theoretisch maximum van 50, 000. Het is aangetoond dat de hoektoestand robuust is tegen defecten in bulkfotonisch kristal. Een lasergedrag met een lage drempel en een hoge spontane emissiekoppelingsfactor (β) wordt waargenomen. De prestaties zijn vergelijkbaar met die van conventionele halfgeleiderlasers, wat wijst op het grote vooruitzicht in een breed scala aan toepassingen voor topologische nanofotonische circuits.

De topologische nanocaviteit bestaat uit twee soorten fotonische kristalstructuur met de gemeenschappelijke bandstructuur en verschillende topologieën die worden gekenmerkt door de 2-D Zak-fase. Volgens de bulk-edge-corner correspondentie, de mid-gap 0-D-hoektoestand kan worden geïnduceerd door de gekwantiseerde randdipoolpolarisatie, die zeer gelokaliseerd is op de kruising van twee grenzen. De Q is geoptimaliseerd met een soepelere ruimtelijke verdeling van de hoektoestand door de spleetafstand (g) tussen de triviale en niet-trivale fotonische kristalplaten aan te passen.

De ontworpen topologische nanoholtes met verschillende parameters worden gefabriceerd tot GaAs-platen met een hoge dichtheid van InGaAs-kwantumdots. De trend van Q met g komt goed overeen met de theoretische voorspelling, terwijl de waarden ongeveer een orde van grootte lager zijn dan de theoretische voorspelling vanwege de fabricage-imperfectie. Hoewel de Q- en resonantiegolflengte van de hoektoestand vatbaar zijn voor wanorde om de hoek, de hoektoestand wordt topologisch beschermd door de niet-triviale 2-D Zak-fasen van de bulkband en robuust tegen de defecten in bulkfotonisch kristal, wat experimenteel is aangetoond.

Een lasergedrag met hoge prestaties wordt waargenomen bij 4,2 K met kwantumdots als versterkingsmedium. De laserdrempel is ongeveer 1 μW en β is ongeveer 0,25. De prestaties zijn veel beter dan die van topologische randlasers, vooral de drempel die ongeveer drie ordes van grootte lager is dan de meeste topologische randlasers. De hoge prestaties zijn het gevolg van de sterke optische opsluiting in de holte vanwege het kleine modusvolume en de hoge Q.

Dit resultaat verkleint de toepassingen van topologische fotonica naar nanoschaal, wat van groot belang zal zijn voor de ontwikkeling van topologische nanofotonische circuits. Verder, de topologische nanoholte kan de interactie tussen licht en materie aanzienlijk verbeteren, waardoor het onderzoek van holte-kwantumelektrodynamica en de verdere potentiële toepassingen in topologische nanofotonische apparaten mogelijk wordt.