新加坡南洋理工大学和英国利兹大学研究人员对偏振缠绕发射的光子马约拉纳量子级联激光器的最新研究发表在《Nature Communications》上。

近年来，拓扑量子材料的基础概念激发了各种新型拓扑光子器件。拓扑腔的模态可防止扰动，这会减少制造缺陷或环境干扰的影响。是新型半导体激光器件的优选者。迄今为止，已经有几次拓扑激光器（TL）的研究表现出强大的激光模式。本文中，研究人员通过实验展示了一种基于马约拉纳零模（MZM）光子模拟的电泵浦TL，该TL在量子级联芯片上单片实现。研究人员表明MZM发射圆柱形矢量（CV）光束，具有太赫兹（THz）半导体激光器的拓扑偏振曲线。

研究人员演示的基于马约拉纳零模式(MZM)的电动泵浦TL，具有单模激光和对应于圆柱矢量(CV)光束的偏振绕组发射曲线。本研究开发的CVB发生器是一种面积超小的单片半导体激光器。该激光器的最高输出功率超过9mw，是相同尺寸的脊激光器的5.9倍。这种紧凑高效的激光器具有源CV光束轮廓，在太赫兹激光雷达、成像、显微镜和无线通信方面具有潜在的应用前景。

承载光子MZM的拓扑腔是通过钻穿THz QCL晶圆顶部接触金属层和活性介质的气孔六方晶格实现的(图1)。

图1:基于光子马约拉纳零模式(MZM)的电泵浦量子级联激光器(QCL)

图2:拓扑腔的数值模拟。

太赫兹QCL晶圆提供2.9 THz到3.8 THz范围内的增益，这与设计的光子带隙重叠。采用相同晶格常数a=30μm，但绕组数±1的方法制备了两种不同的器件。它们在不同泵浦电流密度下的发射光谱分别绘制在图3a和图3b中。随着泵浦的增加，每个发射光谱包线都经历了一个逐渐的蓝移，这是由于太赫兹QCL介质中子带间跃迁的斯塔克位移。尽管如此，研究人员仍然可以清楚地识别出两个样本的MZM峰值，其位于3.47太赫兹左右，非常接近预测的中间隙频率。研究人员还观察到两个样本在3.63太赫兹处有一个较弱的排放峰值;这些被识别为上带边(UBE)模式，因为它们发生在数值计算预测的带隙的上边缘。这些实验结果也与模态净增益系数的数值计算结果一致(图3c);下带边(LBE)模式预计具有最低的净增益系数，因此不会出现在实验发射光谱中。从实验光电流-电压曲线(图3d)可以观察到激光发射的电抽运动态范围，在1.2 kA/cm2左右有明确的激光阈值，输出功率翻转点为1.45 kA/cm2。MZM对应的主峰强度约为UBE最强峰的30倍。因此，SMSR超过14.7 dB，这可能是由于UBE频率位于增益区域的尾部(图3c)。

图3:激光马约拉纳零模的观测。

使用定制的强度扫描仪设备探测远场光束轮廓，如图4所示。发散的激光束由焦距为5厘米的透镜准直，并由太赫兹Golay细胞检测器收集。数值计算预测，马约拉纳模式产生的CV光束具有甜甜圈形的远场强度分布（图4b），研究人员实验获得的强度分布非常一致（图4c）。

图4:CV光束的远场特性。

高性能太赫兹拓扑MZM QCL

图5:大尺寸太赫兹拓扑MZM激光器的功率缩放。

CV光束具有甜甜圈形状的光束轮廓，可以产生紧密聚焦的斑点，在超分辨荧光显微镜中发现了突破性的突破。它们还携带不同的极化线圈，如径向极化、方位极化和螺旋极化，可应用于不同类型的超分辨显微镜、光学操作、激光加工和带电粒子加速。采用单片方法实现太赫兹CV波束在高带宽无线通信、太赫兹安全检测、太赫兹光谱、生物成像等方面具有重要的应用价值。研究人员的激光腔设计只依赖于介电折射率调制。因此，它可以很容易地扩展到其他波长体系，如中红外，近红外和可见区域。

总之，研究人员已经演示了基于光子MZMs的电泵浦太赫兹激光器，它产生具有非零偏振绕组的圆柱矢量光束。本文的激光腔设计实现了对发射光谱和远场光束偏振的同时控制，使得类马约拉纳光子QCL与标准的太赫兹量子CLS(如脊激光器、分布反馈激光器和传统的光子晶体激光器)相比具有独特的优势。通过调整气孔半径和腔体尺寸等结构参数，可以进一步优化输出功率、光束发散、极化等发射性能。

文章来源：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36418-y