三层狄拉克光子晶体异质结构腔中拓扑体态的反常频率调控及其激光应用

《Advanced Optical Materials》：Abnormal Frequency Scaling of the Topological Bulk States in a Three-Layer Heterostructure Cavity with Dirac Photonic Crystals

本研究针对拓扑光子晶体腔中振荡频率精确调控手段缺乏的问题，报道了在非平凡-狄拉克-平凡异质结腔中拓扑体态的反常频率标度规律。研究发现通过调控中间层狄拉克光子晶体的区域尺寸，可实现内域偶极子和四极子模式谐振频率的线性变化，且频率标度系数受狄拉克点频率位置调控。该原理在悬浮光子晶体薄膜中同样适用，并产生一致的远场发射谱。这项工作为拓扑腔谐振频率调控提供了新策略，为多通道光学滤波器和高性能半导体激光阵列的发展开辟了新途径。

　　

拓扑光子晶体（Topological Photonic Crystal, PC）在光学腔（optical cavities）领域扮演着关键角色，其产生的非平凡光学特性推动了新型拓扑激光器的发展。然而，目前仍缺乏有效手段来精确控制其振荡频率。本项工作深入探究了在一个非平凡-狄拉克-平凡（nontrivial-Dirac-trivial）异质结构腔中，拓扑体态（topological bulk states）所表现出的反常频率标度（abnormal frequency scaling）行为。研究揭示，通过调节中间层狄拉克光子晶体（Dirac PC）的区域尺寸，内域（inner domain）的偶极子模式（dipole modes）和四极子模式（quadrupole modes）的谐振频率（resonant frequencies）能够发生线性变化，并且其频率标度系数（frequency scaling coefficients）会受到狄拉克点频率（Dirac point frequency）位置的影响。此外，这种频率标度原理同样适用于悬浮光子晶体薄膜（suspended PC membrane），并能产生一致的远场发射分布（far-field emission profiles）。这项工作为拓扑腔的谐振频率调控提供了一种简便策略，并为多通道光学滤波器（multi-channel optical filters）和高性能半导体激光阵列（high-performance semiconductor laser array）的研发铺平了道路。