一个沙粒大小的高效激光网络

垂直发射激光

垂直发射激光器的拓扑阵列的艺术再现。沿着拓扑界面(蓝色)的所有30个微激光器作为一个整体,共同发射相干激光(红色)。图片来源:Pixelwg, Christian Kroneck

微激光器合为一体:拓扑垂直腔激光器阵列

以色列和德国的研究人员已经开发出一种方法,可以迫使一组垂直腔激光器作为单个激光器一起工作——一种沙粒大小的高效激光网络。这一发现发表在一篇新的联合研究论文中,该论文由著名杂志在线发表科学2021年9月24日。

手机、汽车传感器或光纤网络中的数据传输都在使用所谓的垂直腔面发射激光器(VCSEL)——牢牢扎根于我们日常技术中的半导体激光器。尽管广泛使用,VCSEL器件只有几微米的微小尺寸,这对它能产生的输出功率设置了严格的限制。

多年来,科学家们一直试图通过将许多微小的vcsel组合在一起,并迫使它们充当一个相干激光器,来提高这些设备发出的功率,但收效有限。目前的突破使用了一种不同的方案:它在芯片上采用了vcsel的独特几何排列,迫使飞行在一个特定的路径上流动——一个光子拓扑绝缘体平台。

从拓扑绝缘体到拓扑激光器

拓扑绝缘体是革命性的量子材料,在内部绝缘,但在其表面导电-没有损耗。几年前,由Mordechai Segev教授领导的Technion团队将这些创新的想法引入到光子学中,并展示了第一个光子拓扑绝缘体,光在二维波导阵列的边缘传播而不受缺陷或无序的影响。这打开了一个新的领域,现在被称为“拓扑光子学”,目前有数百个小组正在进行活跃的研究。

2018年,该研究小组还发现了一种方法,利用光子拓扑绝缘体的特性,迫使许多微环激光器锁定在一起,充当单个激光器。但该系统仍有一个重大瓶颈:光在光子芯片中循环,被限制在用于提取光的同一平面上。这意味着整个系统再次受到功率限制,这是由用于照明的设备施加的,类似于整个发电厂只有一个插座。目前的突破使用了一种不同的方案:激光被迫锁定在平面芯片内,但现在从每个微小的激光通过芯片表面发射光,可以很容易地收集。

情况和参与者

这项德以研究项目主要起源于科罗纳大流行时期。如果没有相关研究人员的巨大投入,这一科学里程碑就不可能实现。该研究由以色列理工学院物理系和电气与计算机工程系杰出教授Mordechai Segev团队的博士生Alex Dikopoltsev进行,博士生Tristan H. Harder和Sebastian Klembt教授和W·R·弗林教授在W大学的应用物理学讲座,以及卓越量子CTMA-量子物质的复杂性和拓扑席,与耶拿和奥尔登堡的研究者合作。该设备的制造利用了威斯堡大学优秀的洁净室设施。

通向新型拓扑激光器的漫漫长路

Technion的塞格夫教授说:“观察科学的发展是一件很有趣的事情。”“我们从基本的物理概念发展到其中的根本性变化,现在又发展到公司正在追求的真正的技术。回到2015年,当我们开始研究拓扑绝缘体激光器时,没有人相信这是可能的,因为当时已知的拓扑概念仅限于那些没有,事实上也不可能有增益的系统。但是所有的激光器都需要增益。所以拓扑绝缘体激光器与当时已知的一切都是对立的。我们就像一群疯子在寻找被认为是不可能的东西。现在,我们向具有多种应用的真正技术迈进了一大步。”

以色列和德国的研究小组利用拓扑光子学的概念,使VCSEL垂直发光,而负责VCSEL相互相干和锁定的拓扑过程发生在芯片平面上。最终的结果是一个强大但非常紧凑和高效的激光器,不受许多VCSEL发射器的限制,并且不受缺陷或温度变化的干扰。

“这种激光器的拓扑原理一般适用于所有波长,因此适用于各种材料,”Würzburg大学的德国项目负责人Sebastian Klembt教授解释道,他正在研究ct内的光物质相互作用和拓扑光子学。qmat卓越集群。“究竟需要布置和连接多少微激光器完全取决于具体的应用。我们可以把激光网络的尺寸扩大到非常大的尺寸,原则上它也将在大量的情况下保持相干。很高兴看到拓扑学,最初是数学的一个分支,已经成为控制、转向和改善激光性能的革命性新工具箱。”

这项开创性的研究表明,事实上,在理论和实验上,将VCSEL结合起来可以获得更坚固、更高效的激光器。因此,该研究结果为许多未来技术的应用铺平了道路,如医疗设备、通信和各种现实应用。

参考文献:亚历克斯·迪科波尔采夫、特里斯坦·H·哈德、埃兰·卢斯蒂格、奥列格·A·埃戈罗夫、约翰内斯·贝莱因、阿德里亚娜·沃尔夫亚科夫·卢默、莫妮卡·埃默林、克里斯蒂安·施耐德、斯文·霍夫林、莫尔德凯·塞格夫和塞巴斯蒂安·克兰伯特的《拓扑绝缘体垂直腔激光阵列》,2021年9月24日,科学.
内政部:10.1126/science.abj2232

资助:德国卓越集群ct.qmat–量子物质的复杂性和拓扑

卓越集群ct.qmat

卓越集群ct。量子物质的复杂性和拓扑是Julius-Maximilians-Universität Würzburg和Technische Universität (TU) Dresden自2019年以来的联合研究合作项目。该研究联盟与以色列罗斯托克的Alexander Szameit教授和海法的Moti Segev教授的研究小组紧密相连。来自4大洲33个国家的270多名科学家正在研究在超低温、高压、强磁场等极端条件下显示出惊人现象的拓扑量子材料。卓越集群由德国联邦和州政府卓越战略资助。

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