研究人員在《Science》上稱他們已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可使一組垂直腔激光器整合為單個激光系統(tǒng)工作，形成一個沙粒大小的高效激光網(wǎng)絡，為更高效的激光器以及醫(yī)療和通信應用提供更多可能！

手機、汽車傳感器或光纖網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸都在使用所謂的垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs)，這種半導體激光器在我們?nèi)粘Ｉ�活中隨處可見。盡管被廣泛使用，但垂直腔面發(fā)射激光器尺寸極小，只有幾微米，對其輸出功率帶來了較多限制。

多年來，科學家們一直試圖通過將許多微小的垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)合起來，并迫使它們作為一個單一的相干激光器來增強這些設備發(fā)射的功率，但都沒有取得突破收獲。目前的突破源于其使用了一種不同的方案：在芯片上采用了一種獨特的垂直腔面發(fā)射激光幾何排列——光子拓撲絕緣體平臺，迫使其以特定的路徑流動。

從拓撲絕緣體到拓撲激光器

拓撲絕緣體是革命性的量子材料，內(nèi)部絕緣，但表面導電，與此同時不產(chǎn)生損耗。幾年前，由Mordechai Segev教授領(lǐng)導的技術(shù)小組將這些創(chuàng)新思想引入光子學，并展示了第一個光子拓撲絕緣體，光在二維波導陣列的邊緣傳播，不受缺陷或無序的影響。這開啟了一個新的領(lǐng)域——“拓撲光子學”，目前有數(shù)百個小組在這個領(lǐng)域進行積極的研究。2018年，同一小組還找到了一種方法，利用光子拓撲絕緣體的特性，迫使許多微環(huán)激光器鎖定在一起，充當單個激光器。但是該系統(tǒng)仍存在一個瓶頸——光在同一平面提取光的光子芯片中不斷循環(huán)。這意味著整個系統(tǒng)再次受到發(fā)光設備的功率限制。

2018年該團隊的拓撲絕緣體激光器

該團隊此次突破使用了一種新方案，使激光被強制鎖定在平面芯片內(nèi)，與此同時光通過芯片表面從每個微小的激光器發(fā)射，并且可以很容易地被收集。

通向新型拓撲激光器的漫漫長路 

作為該研究發(fā)現(xiàn)的探索者、促進者，Segev教授激動地說：“科學探索是如何進化的、科研是如何步步推進的，這些都十分有趣。我們從基礎物理概念到其中的基礎變化，現(xiàn)在又到了公司追求的真正可商業(yè)化技術(shù)。早在2015年，我們即開始研究拓撲絕緣體激光器，彼時沒有人相信這是可能的，因為當時已知的拓撲概念僅限于實際上沒有增益的系統(tǒng)。但是所有的激光器都需要增益。所以拓撲絕緣體激光器在當時看來如天方夜譚。我們那時候的探索可能在大家看來跟瘋子差不多。而現(xiàn)在，我們已經(jīng)朝著擁有眾多應用的真正技術(shù)邁出了一大步。” 

該以色列和德國團隊利用垂直發(fā)射光的垂直腔面發(fā)射激光器和拓撲光子學概念，負責垂直腔面發(fā)射激光器相互間相干和鎖定的拓撲一般發(fā)生在芯片平面。最終形成一個強大但非常緊湊和高效的激光器，不受垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射器的限制，也不受缺陷或溫度變化的干擾。

垂直發(fā)射激光器拓撲陣列的藝術(shù)圖。沿著拓撲界面(藍色)的30個微激光器作為一個整體，共同發(fā)射相干激光(紅色)

項目負責人之一的Sebastian Klembt教授解釋說：“這種激光器的拓撲原理通�？梢赃m用于所有波長，從而適用于一系列材料。需要布置和連接的微型激光器確切數(shù)量取決于其應用。我們可以將激光網(wǎng)絡擴大到一個非常大的規(guī)模，原則上它也將保持大量的相干性。拓撲學（最初是數(shù)學的一個分支）已經(jīng)成為一個革命性的新工具，用于控制、操縱和優(yōu)化激光特性。"

這一創(chuàng)新性研究表明，理論和實驗研究中都可將垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)合起來，以提高魯棒性、實現(xiàn)更高效的激光器。因此，這項研究結(jié)果為許多未來技術(shù)的應用鋪平了道路，如醫(yī)療設備、通信和各種現(xiàn)實世界的應用。

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