全光開關(guan) 是一種用光控製光的設備，這是現代光通信和信息處理的基本組成部分。創建高效，超快速和緊湊的全光開關(guan) 已被認為(wei) 是下一代光學和量子計算發展的關(guan) 鍵步驟。原則上，光子在低功率線性狀態下不會(hui) 彼此直接相互作用，通常需要一個(ge) 腔來共振地增強控製光的場並增加相互作用。在早期工作中，通過優(you) 化諧振器（例如微環或光子晶體(ti) ），快速改善了全光開關(guan) 的性能。為(wei) 了進一步改進，研究領域達到了極限，即在超低能耗和超短開關(guan) 時間之間進行權衡。

中國哈爾濱工業(ye) 大學的宋慶海說：“低能耗通常需要諧振器的高Q因子，而壽命更長的高Q模式則對提高開關(guan) 速度構成了障礙。最近已開發出一種具有等離子體(ti) 納米結構的替代方法來打破這種折中。插入和傳(chuan) 播損耗高達19 dB，並且需要額外的功耗來放大信號。”

連續體(ti) 中受拓撲保護的邊界狀態的激射行為(wei) 有可能最終解決(jue) 這一長期挑戰。在《Science》雜誌上，來自哈爾濱工業(ye) 大學，澳大利亞(ya) 國立大學和紐約城市大學的研究人員詳細介紹了他們(men) 在連續體(ti) （BIC）中受拓撲保護的有界狀態的轉換機製的創新，這種轉換機製可實現從(cong) 徑向向微激光發射的超快轉變。偏振的甜甜圈光束變成線性偏振的波瓣，反之亦然。BIC的極高Q因子可以大大降低激光閾值，並最終打破傳(chuan) 統全光開關(guan) 的上述折中方案。

這項研究的下一步是將多個(ge) 此類可切換微激光器與(yu) 級聯方式集成到集成的光子芯片中，並執行光學邏輯操作。這是最終目標（光學或量子計算）的前提。

常規的超快全光開關(guan) 利用非線性折射率或非線性吸收來產(chan) 生光學位。這樣的技術需要高激發通量以產(chan) 生波長偏移，或者需要額外的損耗來調製傳(chuan) 輸，仍然受到權衡的限製。

研究人員用BIC的光學特性解決(jue) 了這個(ge) 問題，該問題最初是由馮(feng) ·諾依曼（Von Neumann）和威格納（Wigner）在量子力學中提出的，並且最近在光學領域得到了重新研究。盡管偶然的BIC由於(yu) 其堅固性而引起了大多數研究關(guan) 注，但本研究的重點是對稱保護的BIC的激光發射。與(yu) 意外BIC相比，後者對破壞對稱的擾動極為(wei) 敏感。對應於(yu) 折射率虛部（n“）的激光係統的超常增益可以成為(wei) 超快控製對稱性以及BIC處與(yu) 對稱性相關(guan) 的遠場激光發射的新有效參數。

為(wei) 了驗證這一概念，研究人員在MAPbBr 3鈣鈦礦薄膜中製造了方晶格周期納米結構，並對其進行光泵浦。在對稱保護的BIC上實現了單模激光操作。輸出激光束是垂直方向的甜甜圈束，發散角為(wei) 2o。偏振測試和自幹涉圖案顯示發射激光束被軌道角動量（OAM）徑向偏振。

Song說：“使用OAM定向發射激光不足為(wei) 奇。” “它已經由加州大學伯克利分校的B. Kante觀察到並進行了解釋。它與(yu) BIC處的偏振渦旋和實際樣品引起的橫向自旋角動量有關(guan) 。它也可以通過圓偏振光激發來實現。 BIC微型激光器在全光交換方麵更具吸引力。”

研究人員表明，泵浦曲線可以有效地控製BIC激光器。通過部分增加第二束光的光學增益，破壞了四重旋轉對稱性，BIC激光器退化為(wei) 傳(chuan) 統的光子晶體(ti) 激光器。結果，甜甜圈光束過渡到兩(liang) 個(ge) 線性偏振波瓣。這種轉換及其反轉發生在1-1.5 ps的時間內(nei) 。還可以在2-3 ps內(nei) 實現從(cong) 甜甜圈到兩(liang) 個(ge) 瓣的完整過渡，再回到甜甜圈。這樣的切換時間比BIC微激光器的壽命快一個(ge) 數量級以上，這清楚地證明了激光器壽命對切換時間的限製已被打破。

宋說：“這種超快速的控製歸因於(yu) BIC的遠場特性。” “ BIC是由輻射通道上的相消幹涉形成的。考慮到遠場輻射，從(cong) BIC微激光器到傳(chuan) 統激光器的過渡代表了激光發射的重新分布，而不是直接打開/關(guan) 閉激光模式。”

激光閾值約為(wei) 4.2 mW / cm 2，每位能耗類似於(yu) 當前的全光開關(guan) 。宋說：“這是因為(wei) 我們(men) 的鈣鈦礦納米結構的質量低下，而BIC的超高Q因子尚未得到充分利用。” 最終，利用BIC可以進一步將閾值降低幾個(ge) 數量級，並打破了全光開關(guan) 的所有局限性。”

所證明的機理不受光激發的限製。具有超快切換的電驅動BIC微激光器也是可能的，並且這種超快可切換BIC激光器的級聯片上集成對於(yu) 光學和量子計算也是必不可少的。

這項研究於(yu) 2020年2月28日發表在《Science》雜誌上，文章標題為(wei) 《Ultrafast control of vortex microlasers》。