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垂直腔激光器拓撲陣列的藝術(shù)圖：30個微型激光器作為一個整體，共同發(fā)射出相干激光（紅色）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，以色列和德國的研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種能使一組垂直腔激光器集成于一體的方法，從而組成一個沙粒大小的高效激光器陣列。這項研究成果發(fā)表在著名期刊《科學（Science）》在線發(fā)表的一篇研究論文中，題目為《Topological insulator vertical-cavity laser array》，論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abj2232。

智能手機、汽車激光雷達，以及光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸都在使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）——半導體激光器已深入我們的日常生活之中。盡管應(yīng)用廣泛，但微型VCSEL產(chǎn)生的輸出功率受到嚴格的限制。多年來，科學家們一直試圖通過將多個微型VCSEL集成為單個相干激光器來提高此類半導體激光器的發(fā)射功率，不過收效甚微。研究人員此次取得的突破使用了不同以往的方案——光子拓撲絕緣體平臺，在芯片上集成了獨特的VCSEL幾何排列，每個VCSEL垂直發(fā)射，但拓撲絕緣體平臺中發(fā)射器之間的面內(nèi)耦合，促進了整個VCSEL陣列的相干發(fā)射。

用好拓撲學，改變光束直線傳播

光束的本性是沿直線傳播，怎樣才能改變其本性呢？這必須依靠拓撲學。作為近代發(fā)展起來的一個研究連續(xù)形變現(xiàn)象的數(shù)學分支，拓撲學相對深奧，我們可以通過簡單類比來理解。簡單地說，拓撲是研究幾何體中含有“孔洞”個數(shù)（即“拓撲數(shù)”）的一門學問。比如說，人們喜歡的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在結(jié)構(gòu)中都有一個洞，在數(shù)學上，我們可以將這種中間有且只有一個“孔洞”的結(jié)構(gòu)，歸為一類，看作是只有一個“孔洞”的圓環(huán)體。對于籃球、足球、西瓜等沒有“孔洞”結(jié)構(gòu)的物體，則將其歸為另一類。它們雖然都屬于圓環(huán)體，但前者“孔洞”個數(shù)為1，后者為0，結(jié)構(gòu)不同，在性質(zhì)上就存在很大的差異。簡單地說，按照不同物體中所包含的“孔洞”個數(shù)進行分類，并對“孔洞”個數(shù)相同的物體進行性質(zhì)上的類比，就是拓撲學意義上的分類。

拓撲學是一個很神奇的數(shù)學概念，它進入物理學領(lǐng)域后，最早被用來描述物質(zhì)中電子運動規(guī)律，并由此發(fā)現(xiàn)了“拓撲絕緣體”。這一新奇的材料相比于不導電的橡膠等普通絕緣體，雖然同樣能阻止電荷流動，但在其表面猶如為電子開辟了一條“高速公路”，可以讓電子無障礙、低損耗地高速穿流。

“拓撲絕緣體”這一獨特功能，讓物理學家們浮想聯(lián)翩——當兩種具有不同拓撲數(shù)的材料緊密拼接在一起時，其界面處必然會產(chǎn)生一個光學拓撲邊界態(tài)。如此一來，耦合到物質(zhì)表面的光，自然不會也不需要穿入物質(zhì)體內(nèi)，經(jīng)歷猶如塞車般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了屬于自己的那條表面通道。這個光學拓撲邊界態(tài)就相當于光子的專用“高速公路”，但它并非是一條直線，而像普通道路一樣有大小不等的彎道，光子在這條“高速公路”上傳播，只能沿著彎曲的道路通行，即在物質(zhì)表面“曲線傳播”。這樣，就改變了光束直線傳播的本性。

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，它內(nèi)部絕緣但在其表面導電且無損耗。幾年前，由Mordechai Segev教授領(lǐng)導的Technion小組將該創(chuàng)新理念引入光子學，并展示了第一個光子拓撲絕緣體，其中光在二維波導陣列的邊緣傳播而不受缺陷或無序的影響。這開辟了一個新領(lǐng)域，現(xiàn)在被稱為“拓撲光子學”，目前有數(shù)百個團體正在積極開展研究。

激光是利用諧振腔對種子光的來回反射實現(xiàn)光放大，而諧振腔內(nèi)的瑕疵會影響激光損耗閾值，從而使激光輸出功率大幅降低甚至無法出光。如果利用光波對結(jié)構(gòu)缺陷的免疫能力，采用光學拓撲絕緣體設(shè)計的諧振腔，則可以完美避開腔內(nèi)瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更穩(wěn)定。

2018年，Technion小組找到了一種方法來利用光子拓撲絕緣體的性質(zhì)來構(gòu)建一種新型的激光器，這種激光器表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)——高度相干且高功率，并極大地提高了激光器陣列的穩(wěn)健性，為未來的大規(guī)模應(yīng)用打開了大門。在他們的研究中，建立了一個特殊的微環(huán)諧振器陣列，其激光的模式展現(xiàn)出受到拓撲保護的傳輸——光沿著激光陣列的邊緣在一個方向上傳播，不受缺陷和無序的影響，不受邊緣形狀的影響。這反過來又如實驗證明的那樣，會導致高效率的單模激光。由于制造的陣列使用的是標準半導體材料，而不需要磁場或奇異的磁光材料，因此可以集成在半導體器件之中。

研究人員證明，不僅拓撲激光器在理論上是可行的，而且在實驗上也是可行的，綜合上述這些性質(zhì)可以創(chuàng)造出更高效的激光器。未來，以拓撲激光器為核心的新型有源拓撲光子器件，將為傳感、通信等領(lǐng)域帶來革命性變化。

垂直腔激光器陣列的拓撲結(jié)構(gòu)和光子特性

項目情況和參與者

這項德國-以色列研究項目主要起源于新冠肺炎（COVID-19）大流行期間。如果沒有相關(guān)研究人員的巨大投入，這一科學里程碑就不可能實現(xiàn)。該研究工作的主要參與者是以色列理工學院物理系和電氣與計算機工程系Segev團隊的博士生Alex Dikopoltsev，以及維爾茨堡大學應(yīng)用物理學系Sebastian Klembt教授和Sven H?fling教授團隊的博士生Tristan H. Harder，并與來自Jena和Oldenburg的研究人員合作，在量子物質(zhì)的復雜性和拓撲結(jié)構(gòu)集群方面取得了卓越成就。此項研究中的拓撲激光器制造使用了維爾茨堡大學出色的潔凈室設(shè)施。

通往新型拓撲激光器的漫漫長路

Segev表示：“看到科學如何發(fā)展是一件很有趣的事情。我們從基本的物理概念到基礎(chǔ)性研究，再到如今追求真正技術(shù)。早在2015年，當我們開始研究基于拓撲絕緣體的激光器時，沒人相信這是可能的。因為當時已知的拓撲概念僅限于沒有增益的系統(tǒng)，但是所有的激光器都需要增益。因此，拓撲激光器與當時已知的一切背道而馳。我們就像一群瘋子在尋找被認為不可能的事情。現(xiàn)在我們已經(jīng)朝著具有許多應(yīng)用的真正技術(shù)邁出了一大步?！?br/>
以色列和德國的研究團隊將拓撲光子學的概念與垂直發(fā)光的VCSEL結(jié)合起來，其中負責VCSEL相干和鎖定的拓撲過程發(fā)生在芯片平面上。最終結(jié)果是產(chǎn)生一種強大但非常緊湊和高效的激光器，不受多個VCSEL發(fā)射器的限制，并且不受缺陷或溫度變化的干擾。

“這種激光器的拓撲原理通常適用于所有波長，因此適用于一系列材料。”Klembt解釋說，“究竟需要布置和連接多少個微型激光器完全取決于應(yīng)用需求。我們可以將激光器陣列規(guī)模擴展到非常大，并且原則上它也將在大規(guī)模的情況下保持一致。我很高興看到拓撲學從最初是數(shù)學的一個分支，發(fā)展成為一門革命性的新技術(shù)——用于控制和改善激光性能的工具箱?！?br/>
這項開創(chuàng)性的研究表明，拓撲光子學可以結(jié)合VCSEL來實現(xiàn)更強大、更高效的激光器，未來發(fā)展之路雖然漫長，但是前景樂觀。