隨著數據流量的爆炸性增長，市場極度渴求出現(xiàn)能將各種光學組件組合在單個芯片上的混合光子集成電路。
硅是用于光子集成電路（PIC）的出色材料，但在硅中實現(xiàn)高性能激光源仍然具有挑戰(zhàn)性。硅上III–V量子點（QD）激光器的單片集成被認為是解決這一問題的一種很有前景的策略。
然而，大多數現(xiàn)有的QD微腔激光器對腔體的變化非常敏感，這從根本上限制了QD微腔激光器的性能。
據《激光制造網》了解，近日，在《Light: Science & Applications 》雜志上發(fā)表的一篇題為《Room-temperature continuous-wave topological Dirac-vortex microcavity lasers on silicon》的新論文中，香港中文大學孫賢開教授、香港中文大學（深圳）的張昭宇教授和英國倫敦大學學院的陳思銘博士領導的科學家團隊，通過實驗證明了在同軸硅基上單片生長的InAs/InGaAs QD材料在電信波長下的室溫連續(xù)波狄拉克渦旋拓撲激光器，在激光技術方面取得了突破。
a、在硅基上外延生長的狄拉克渦旋拓撲激光器的概念圖。光子晶體結構被定義在有源層中，并通過部分去除犧牲層來懸浮。b、所實現(xiàn)的拓撲狄拉克渦旋光子晶體腔的傾斜視圖掃描電子顯微鏡圖像。比例尺：500?nm。c、包含四堆疊InAs/InGaAs QD層的有源層的橫截面明場透射電子顯微鏡圖像。
據悉，該激光器具有拓撲穩(wěn)健性從而不受外來缺陷和腔體尺寸變化的影響，這有望革新芯片上CMOS兼容的光子和光電子系統(tǒng)的技術。這一突破或為具有拓撲穩(wěn)健性與多功能性的下一代硅基PIC鋪平道路。
狄拉克渦旋態(tài)是超導體電子系統(tǒng)中著名的馬約拉納費米子（所謂的“天使粒子”）的數學模擬物，最近被發(fā)現(xiàn)是一種對經典波進行緊密和魯棒限制的新策略。這種方法具有顯著的優(yōu)勢，例如比大多數現(xiàn)有光學腔更大的自由光譜范圍，這使其成為實現(xiàn)單模表面發(fā)射激光器的理想選擇。
研究團隊利用拓撲絕緣體中的輔助軌道自由度設計并制造了狄拉克渦旋光子晶體激光器。通過這種方式，他們能夠控制狄拉克渦旋腔的近場，以獲得線性偏振的遠場發(fā)射。然后，他們在室溫下連續(xù)波光泵浦下觀察到這些腔的垂直激光發(fā)射。
狄拉克渦旋拓撲激光器的實驗表征。a，狄拉克渦旋激光器的微區(qū)熒光光譜隨泵浦功率的變化。b，微區(qū)熒光光譜強度（紫色點）和線寬（橙色方塊）隨泵浦強度的變化。c，當泵浦強度為 0.395 kW cm?2時測得的微區(qū)熒光光譜。d，激光波長（紫色點）隨泵浦強度的變化。e，不同狄拉克渦旋激光器的激光光譜，表明可以實現(xiàn)1300–1370 nm波長范圍內的精確調控。
狄拉克渦旋QD激光器的這一突破性成就不僅有望成為下一代硅基光子集成電路的片上光源，而且為探索非厄米性特性、玻色子非線性和量子電動力學等拓撲現(xiàn)象打開了大門。這可能會導致光電子領域的重大進步，并為更高效、更強大的通信技術鋪平道路。
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