トポロジカルフォトニクスによる次世代半導体レーザの研究

次世代半導体レーザは, 小型・高効率・低消費電力などの特性を持ち, 光通信や自動運転などの多くの分野での応用が期待されている. 特に, 医療や産業分野での超微細加工や高速光通信においては高輝度化が重要な要素となり, その実現に向けてレーザの単一モード性が課題となっている. 一方, トポロジーを光に応用することで, 原理的には単一モードの光を完全に閉じ込めることができる. 本研究では, トポロジカルに守られた光のトポロジカル状態を用いて, 半導体レーザの革新的な性能向上を目指している.昨年度までに, 2次元トポロジカルレーザの構造探索を目指し, 2層および３層の2次元トポロジカル絶縁体におけるトポロジカル状態を強束縛近似を用いて解析した. 2次元トポロジカル絶縁体では, 1次元エッジ状態と0次元コーナー状態の2種のトポロジカル状態が存在する. 系の角に現れるコーナー状態を発振させることで, デバイス構造欠陥や揺らぎにロバストなトポロジカルレーザの実現が期待される.比較検討した2つの強結合モデルでは, 量子化された双極子モーメントを有するSu-Schrieffer-Heeger (SSH) 模型よりも, 四重極子を保持するBBH模型（四重極トポロジカル絶縁体）の方が, コーナー状態がバンドギャップ中 に存在するため, よりロバストであることが期待される. 利得と損失の分布を最適化した条件下での固有値解析の結果, コーナー状態とそれ以外のモードの発振しきい値利得差を比較すると, BBH模型の方が単一モードを維持できることが明らかとなった.また, BBH模型のトポロジカル層とトリビアル相を上下に組み合わせた2層および3層の積層モデルでは, 層間結合の強度に応じてコーナーモード数およびトポロジカル数が変化することから, トポロジカル相転移が起きることを明らかにした.

次世代半導体レーザは, 小型・高効率・低消費電力などの特性を持ち, 光通信や自動運転などの多くの分野での応用が期待されている. 特に, 医療や産業分野での超微細加工や高速光通信においては高輝度化が重要な要素となり, その実現に向けてレーザの単一モード性が課題となっている. 一方, トポロジーを光に応用することで, 原理的には単一モードの光を完全に閉じ込めることができる. 本研究では, トポロジカルに守られた光のトポロジカル状態を用いて, 半導体レーザの革新的な性能向上を目指している.昨年度までに, 2次元トポロジカルレーザの構造探索を目指し, 2層および３層の2次元トポロジカル絶縁体におけるトポロジカル状態を強束縛近似を用いて解析した. 2次元トポロジカル絶縁体では, 1次元エッジ状態と0次元コーナー状態の2種のトポロジカル状態が存在する. 系の角に現れるコーナー状態を発振させることで, デバイス構造欠陥や揺らぎにロバストなトポロジカルレーザの実現が期待される.比較検討した2つの強結合モデルでは, 量子化された双極子モーメントを有するSu-Schrieffer-Heeger (SSH) 模型よりも, 四重極子を保持するBBH模型（四重極トポロジカル絶縁体）の方が, コーナー状態がバンドギャップ中 に存在するため, よりロバストであることが期待される. 利得と損失の分布を最適化した条件下での固有値解析の結果, コーナー状態とそれ以外のモードの発振しきい値利得差を比較すると, BBH模型の方が単一モードを維持できることが明らかとなった.また, BBH模型のトポロジカル層とトリビアル相を上下に組み合わせた2層および3層の積層モデルでは, 層間結合の強度に応じてコーナーモード数およびトポロジカル数が変化することから, トポロジカル相転移が起きることを明らかにした.