半導體激光的未來：拓撲絕緣體激光器

以色列和美國的研究人員已經開發出了一種新型的，高效率的相干和強健的半導體激光系統：拓撲絕緣體激光器。

研究結果發表在兩篇新的聯合研究論文中，一篇描述理論（Topological insulator laser: Theory）和另一篇實驗（Topological insulator laser: Experiments），在線發表在著名的「Science」上。

拓撲絕緣體是近年來最具創新性和前景的物理學領域之一，為受保護的運輸的基本理解提供了新的視角。這些是特殊的材料，它們在內部是絕緣體，但在表面產生「超電流」：表面電流不受缺陷、尖角或雜亂的影響; 電流能持續單向性而不會被分散。

圖示為拓撲絕緣體激光器：光線暢通無阻地繞過周邊、尖角或障礙，最終通過輸出埠出射。 （圖片：以色列理工學院）

這些研究由以色列理工學院的Mordechai Segev教授和他的團隊：Miguel A. Bandres博士和Gal Harari博士，與Demetrios N. Christodoulides教授和Mercedeh Khajavikhan教授及中佛羅里達大學光學與光子學院的學生Steffen Wittek，Midya Parto 和 Jinhan Ren，還有美國和新加坡的科學家們一起完成的。

幾年前，來自以色列理工學院的同一個團隊在光子學中引入了這些想法，並且展示了一種光子拓撲絕緣體，其中光在波導的二維陣列的邊緣傳播而不受缺陷或無序的影響。

現在，研究人員已經找到了一種方法來利用光子拓撲絕緣體的性質來構建一種新型的激光器，這種新型激光器表現出獨特的基本特性，並極大地提高了激光器陣列的穩健性和性能，為未來的大量應用打開了大門。

Segev教授說：「這個新的激光系統違背了關於拓撲絕緣子的所有常識。在一個堅果殼中，當系統包含增益時，拓撲絕緣體的獨特魯棒性被認為是失敗的，因為所有的激光器都必須具有。但是我們已經表明，這種特殊的魯棒性在具有特殊（「拓撲」）設計的激光系統中能夠存在，並且能夠使激光更高效，更相干，並且同時不受各種製造缺陷和諸如此類的缺陷的影響。這似乎是一個讓微型激光器陣列作為一個整體工作的激動人心的途徑：一個高度相干的高功率激光器。」

拓撲絕緣體激光器強度激光模式的俯視圖照片。(圖片: 以色列理工學院)

在他們的研究中，科學家們建立了一個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，這種激光在激光閾值上保持在很高的水平。來自中佛羅里達大學的Christodouldies教授說：「很高興看到基礎研究能夠有這麼深刻而有形的應用。」

製造的陣列使用的是標準的半導體材料，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中。「近幾年來，我們以前所未有的方式找到了操縱光的新手段。在這裡，通過巧妙的設計，我們愚弄光子，讓他們感覺好像他們正在經歷一個磁場，而且他們有自旋。」研究小組的首席科學家之一Khajavikhan教授說。

研究人員證明，不僅拓撲絕緣體激光器在理論上是可行的，而且在實驗上是可行的，但是綜合這些性質可以創造出更高效的激光器。因此，研究的結果為可以與感測器，天線和其他光子器件集成的新型有源拓撲光子器件鋪平了道路。

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