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Department of Physics & Astronomy

[한창현 학생/전헌수 교수] 광자결정 공진기 배열 구조에 존재하는 위상적 가장자리 상태에서의 레이저 발진 (Light: Science & Applications 논문 게재)

2019-05-01l 조회수 1043

Lasing at topological edge states in a photonic crystal L3 nanocavity dimer array

최근 전혀 새로운 관점에서 빛을 제어하기 위한 위상광자학이 각광받고 있다. 위상부도체 내의 전자와 마찬가지로 위상적으로 상이한 광 구조의 계면에서 광자는 구조적 결함이나 무질서로 인한 산란으로부터 자유로운 특성을 가진다. 이러한 위상적 가장자리 상태는 미세공정의 필연적 결과물인 의도치 않은 구조적 무질서로 인해 가치를 훼손 받고 있는 나노광자학 소자의 단점을 보완할 수 있는 돌파구가 될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 광학적 파장 스케일에서 구성한 광자결정 나노 공진기의 SuSchriefferHeeger 배열에서의 위상적 가장자리 상태에 대해서 연구하였고, 해당 구조를 InP 계열의 다중양자우물 에피구조에 접목하여 가장자리 상태 및 벌크 상태에서의 레이저 발진을 확인하였다. 특히 근접장 측정을 통해 광 모드의 공간적 분포를 직접적으로 증명하였고, 나아가 가장자리 모드가 실제로 공정적 무질서에 의해 크게 영향 받지 않음을 확인하였다.

Topological photonics have provided new insights for the manipulation of light. Analogous to electrons in topological insulators, photons travelling through the surface of a topological photonic structure or the interface of two photonic structures with different topological phases are free from backscattering caused by structural imperfections or disorder. This exotic nature of the topological edge state (TES) is truly beneficial for nanophotonic devices that suffer from structural irregularities generated during device fabrication. Although various topological states and device concepts have been demonstrated in photonic systems, lasers based on a topological photonic crystal (PhC) cavity array with a wavelength-scale modal volume have not been explored. We investigated TESs in a PhC nanocavity array in the SuSchriefferHeeger model. Upon optical excitation, the topological PhC cavity array realised using an InP-based multiple-quantum-well epilayer spontaneously exhibits lasing peaks at the topological edge and bulk states. TES characteristics, including the modal robustness caused by immunity to scattering, are confirmed from the emission spectra and near-field imaging and by theoretical simulations and calculations.

Authors: Changhyun Han, Myungjae Lee (서울대), Ségolène Callard, Christian Seassal (Ecole Centrale de Lyon), and Heonsu Jeon* (서울대)

Journal: Light: Science & Applications 8(1), 40

Published 24 April 2019

https://www.nature.com/articles/s41377-019-0149-7