垂直腔激光器拓?fù)潢嚵械乃囆g(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(xué)（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(jī)、汽車激光雷達(dá)，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(dǎo)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(yán)格的限制。多年來，科學(xué)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(dǎo)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?fù)浣^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?fù)浣^緣體平臺中發(fā)射器之間的面內(nèi)耦合，促進(jìn)了整個VCSEL陣列的相干發(fā)射。

用好拓?fù)鋵W(xué)，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?fù)鋵W(xué)。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(xué)分支，拓?fù)鋵W(xué)相對深奧，我們可以通過簡單類比來理解。簡單地說，拓?fù)涫茄芯繋缀误w中含有“孔洞”個數(shù)（即“拓?fù)鋽?shù)”）的一門學(xué)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(xué)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(jìn)行分類，并對“孔洞”個數(shù)相同的物體進(jìn)行性質(zhì)上的類比，就是拓?fù)鋵W(xué)意義上的分類。

拓?fù)鋵W(xué)是一個很神奇的數(shù)學(xué)概念，它進(jìn)入物理學(xué)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?fù)浣^緣體”。這一新奇的材料相比于不導(dǎo)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?fù)浣^緣體”這一獨特功能，讓物理學(xué)家們浮想聯(lián)翩——當(dāng)兩種具有不同拓?fù)鋽?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(xué)拓?fù)溥吔鐟B(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(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)就相當(dāng)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?fù)浣^緣體到拓?fù)浼す馄?br/>
拓?fù)浣^緣體是革命性的量子材料，它內(nèi)部絕緣但在其表面導(dǎo)電且無損耗。幾年前，由Mordechai Segev教授領(lǐng)導(dǎo)的Technion小組將該創(chuàng)新理念引入光子學(xué)，并展示了第一個光子拓?fù)浣^緣體，其中光在二維波導(dǎo)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?fù)涔庾訉W(xué)”，目前有數(shù)百個團(tuán)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(xué)拓?fù)浣^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?fù)浣^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?fù)浔Ｗo(hù)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(dǎo)致高效率的單模激光。由于制造的陣列使用的是標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(dǎo)體器件之中。

研究人員證明，不僅拓?fù)浼す馄髟诶碚撋鲜强尚械?，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?fù)浼す馄鳛楹诵牡男滦陀性赐負(fù)涔庾悠骷瑢閭鞲?、通信等領(lǐng)域帶來革命性變化。

垂直腔激光器陣列的拓?fù)浣Y(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(xué)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(xué)院物理系和電氣與計算機(jī)工程系Segev團(tuán)隊的博士生Alex Dikopoltsev，以及維爾茨堡大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系Sebastian Klembt教授和Sven H?fling教授團(tuán)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(fù)雜性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集群方面取得了卓越成就。此項研究中的拓?fù)浼す馄髦圃焓褂昧司S爾茨堡大學(xué)出色的潔凈室設(shè)施。

通往新型拓?fù)浼す馄鞯穆L路

Segev表示：“看到科學(xué)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(dāng)我們開始研究基于拓?fù)浣^緣體的激光器時，沒人相信這是可能的。因為當(dāng)時已知的拓?fù)涓拍顑H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?fù)浼す馄髋c當(dāng)時已知的一切背道而馳。我們就像一群瘋子在尋找被認(rèn)為不可能的事情?，F(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。”

以色列和德國的研究團(tuán)隊將拓?fù)涔庾訉W(xué)的概念與垂直發(fā)光的VCSEL結(jié)合起來，其中負(fù)責(zé)VCSEL相干和鎖定的拓?fù)溥^程發(fā)生在芯片平面上。最終結(jié)果是產(chǎn)生一種強(qiáng)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?fù)湓硗ǔ＿m用于所有波長，因此適用于一系列材料?！盞lembt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(kuò)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?fù)鋵W(xué)從最初是數(shù)學(xué)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。”

這項開創(chuàng)性的研究表明，拓?fù)涔庾訉W(xué)可以結(jié)合VCSEL來實現(xiàn)更強(qiáng)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。