垂直腔激光器拓撲陣列的藝術圖：30個(ge) 微型激光器作為(wei) 一個(ge) 整體(ti) ，共同發射出相幹激光（紅色）

據麥姆斯谘詢報道，近日，以色列和德國的研究人員聯合開發出一種能使一組垂直腔激光器集成於(yu) 一體(ti) 的方法，從(cong) 而組成一個(ge) 沙粒大小的高效激光器陣列。這項研究成果發表在著名期刊《科學（Science）》在線發表的一篇研究論文中，題目為(wei) 《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，以及光纖網絡中的數據傳(chuan) 輸都在使用垂直腔麵發射激光器（VCSEL）——半導體(ti) 激光器已深入我們(men) 的日常生活之中。盡管應用廣泛，但微型VCSEL產(chan) 生的輸出功率受到嚴(yan) 格的限製。多年來，科學家們(men) 一直試圖通過將多個(ge) 微型VCSEL集成為(wei) 單個(ge) 相幹激光器來提高此類半導體(ti) 激光器的發射功率，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(ti) 平台，在芯片上集成了獨特的VCSEL幾何排列，每個(ge) VCSEL垂直發射，但拓撲絕緣體(ti) 平台中發射器之間的麵內(nei) 耦合，促進了整個(ge) VCSEL陣列的相幹發射。

用好拓撲學，改變光束直線傳(chuan) 播

光束的本性是沿直線傳(chuan) 播，怎樣才能改變其本性呢？這必須依靠拓撲學。作為(wei) 近代發展起來的一個(ge) 研究連續形變現象的數學分支，拓撲學相對深奧，我們(men) 可以通過簡單類比來理解。簡單地說，拓撲是研究幾何體(ti) 中含有“孔洞”個(ge) 數（即“拓撲數”）的一門學問。比如說，人們(men) 喜歡的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在結構中都有一個(ge) 洞，在數學上，我們(men) 可以將這種中間有且隻有一個(ge) “孔洞”的結構，歸為(wei) 一類，看作是隻有一個(ge) “孔洞”的圓環體(ti) 。對於(yu) 籃球、足球、西瓜等沒有“孔洞”結構的物體(ti) ，則將其歸為(wei) 另一類。它們(men) 雖然都屬於(yu) 圓環體(ti) ，但前者“孔洞”個(ge) 數為(wei) 1，後者為(wei) 0，結構不同，在性質上就存在很大的差異。簡單地說，按照不同物體(ti) 中所包含的“孔洞”個(ge) 數進行分類，並對“孔洞”個(ge) 數相同的物體(ti) 進行性質上的類比，就是拓撲學意義(yi) 上的分類。

拓撲學是一個(ge) 很神奇的數學概念，它進入物理學領域後，最早被用來描述物質中電子運動規律，並由此發現了“拓撲絕緣體(ti) ”。這一新奇的材料相比於(yu) 不導電的橡膠等普通絕緣體(ti) ，雖然同樣能阻止電荷流動，但在其表麵猶如為(wei) 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(ti) ”這一獨特功能，讓物理學家們(men) 浮想聯翩——當兩(liang) 種具有不同拓撲數的材料緊密拚接在一起時，其界麵處必然會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 光學拓撲邊界態。如此一來，耦合到物質表麵的光，自然不會(hui) 也不需要穿入物質體(ti) 內(nei) ，經曆猶如塞車般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了屬於(yu) 自己的那條表麵通道。這個(ge) 光學拓撲邊界態就相當於(yu) 光子的專(zhuan) 用“高速公路”，但它並非是一條直線，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(chuan) 播，隻能沿著彎曲的道路通行，即在物質表麵“曲線傳(chuan) 播”。這樣，就改變了光束直線傳(chuan) 播的本性。

從(cong) 拓撲絕緣體(ti) 到拓撲激光器

拓撲絕緣體(ti) 是革命性的量子材料，它內(nei) 部絕緣但在其表麵導電且無損耗。幾年前，由Mordechai Segev教授領導的Technion小組將該創新理念引入光子學，並展示了第一個(ge) 光子拓撲絕緣體(ti) ，其中光在二維波導陣列的邊緣傳(chuan) 播而不受缺陷或無序的影響。這開辟了一個(ge) 新領域，現在被稱為(wei) “拓撲光子學”，目前有數百個(ge) 團體(ti) 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光放大，而諧振腔內(nei) 的瑕疵會(hui) 影響激光損耗閾值，從(cong) 而使激光輸出功率大幅降低甚至無法出光。如果利用光波對結構缺陷的免疫能力，采用光學拓撲絕緣體(ti) 設計的諧振腔，則可以完美避開腔內(nei) 瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更穩定。

2018年，Technion小組找到了一種方法來利用光子拓撲絕緣體(ti) 的性質來構建一種新型的激光器，這種激光器表現出獨特的性質——高度相幹且高功率，並極大地提高了激光器陣列的穩健性，為(wei) 未來的大規模應用打開了大門。在他們(men) 的研究中，建立了一個(ge) 特殊的微環諧振器陣列，其激光的模式展現出受到拓撲保護的傳(chuan) 輸——光沿著激光陣列的邊緣在一個(ge) 方向上傳(chuan) 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(hui) 導致高效率的單模激光。由於(yu) 製造的陣列使用的是標準半導體(ti) 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(ti) 器件之中。

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

垂直腔激光器陣列的拓撲結構和光子特性

項目情況和參與(yu) 者

這項德國-以色列研究項目主要起源於(yu) 新冠肺炎（COVID-19）大流行期間。如果沒有相關(guan) 研究人員的巨大投入，這一科學裏程碑就不可能實現。該研究工作的主要參與(yu) 者是以色列理工學院物理係和電氣與(yu) 計算機工程係Segev團隊的博士生Alex Dikopoltsev，以及維爾茨堡大學應用物理學係Sebastian Klembt教授和Sven Höfling教授團隊的博士生Tristan H. Harder，並與(yu) 來自Jena和Oldenburg的研究人員合作，在量子物質的複雜性和拓撲結構集群方麵取得了卓越成就。此項研究中的拓撲激光器製造使用了維爾茨堡大學出色的潔淨室設施。

通往新型拓撲激光器的漫漫長路

Segev表示：“看到科學如何發展是一件很有趣的事情。我們(men) 從(cong) 基本的物理概念到基礎性研究，再到如今追求真正技術。早在2015年，當我們(men) 開始研究基於(yu) 拓撲絕緣體(ti) 的激光器時，沒人相信這是可能的。因為(wei) 當時已知的拓撲概念僅(jin) 限於(yu) 沒有增益的係統，但是所有的激光器都需要增益。因此，拓撲激光器與(yu) 當時已知的一切背道而馳。我們(men) 就像一群瘋子在尋找被認為(wei) 不可能的事情。現在我們(men) 已經朝著具有許多應用的真正技術邁出了一大步。”

以色列和德國的研究團隊將拓撲光子學的概念與(yu) 垂直發光的VCSEL結合起來，其中負責VCSEL相幹和鎖定的拓撲過程發生在芯片平麵上。最終結果是產(chan) 生一種強大但非常緊湊和高效的激光器，不受多個(ge) VCSEL發射器的限製，並且不受缺陷或溫度變化的幹擾。

“這種激光器的拓撲原理通常適用於(yu) 所有波長，因此適用於(yu) 一係列材料。”Klembt解釋說，“究竟需要布置和連接多少個(ge) 微型激光器完全取決(jue) 於(yu) 應用需求。我們(men) 可以將激光器陣列規模擴展到非常大，並且原則上它也將在大規模的情況下保持一致。我很高興(xing) 看到拓撲學從(cong) 最初是數學的一個(ge) 分支，發展成為(wei) 一門革命性的新技術——用於(yu) 控製和改善激光性能的工具箱。”

這項開創性的研究表明，拓撲光子學可以結合VCSEL來實現更強大、更高效的激光器，未來發展之路雖然漫長，但是前景樂(le) 觀。