室温电泵浦拓扑绝缘体激光器，可用于更高效通信

美国南加州大学科学家们创造了第一个在室温下工作的电驱动拓扑激光器，这种激光器作为光子集成电路芯片中的主要光源，可用于片上通信。相关研究发表在《Nature Communications》上。

图注，电泵浦拓扑绝缘体激光器结构，由10×10微环腔网络组成，这些微环腔通过链路谐振器相互耦合。

在凝聚态物理中，拓扑绝缘体 (TI) 代表了一类具有绝缘体和导电对称保护表面状态的新型材料。这些表面电流对局部缺陷和扰动的显着鲁棒性导致这些材料在量子传输、自旋电子器件和新晶体管中的应用。

拓扑学是数学的一个分支，它研究形状的哪些方面可以承受变形。例如，形状像环的物体可能会变形为杯子的形状，环的孔形成杯子手柄上的孔。然而，这个物体在不改变其原始形状时不可能变形为没有孔的形状。

2007 年，研究人员利用拓扑学的见解开发了第一个电子拓扑绝缘体。这些绝缘体内部绝缘但外部导电。沿着这些材料的边缘或表面行进的电子强烈抵抗任何可能改变其流动的干扰，被称为“拓扑保护”。

科学家随后设计了光子拓扑绝缘体，其中的光同样受到保护。这些材料的结构有规律的变化，让特定波长的光沿着它们的外部流动而不会发生散射或损失——即使是在角落和缺陷周围。

下一步是开发包含拓扑保护的激光器。拓扑绝缘体激光器 (TIL) 是最近推出的一系列激光阵列，其中通过合成规范场实现锁相。这些单频光源阵列在拓扑非平凡光学晶格的空间扩展边缘模式下运行。由于拓扑模式对扰动和缺陷的固有鲁棒性，与拓扑微不足道的对应物相比，这种拓扑绝缘体激光器往往表现出更高的斜率效率。也就是说，这种激光器可以有效地仅产生单一所需波长的光，而不会因产生不需要的波长而浪费功率。此外，它们对制造或操作过程中可能发生的缺陷不太敏感，这意味着即使它们有缺陷，也会产生纯净的光，因此，拓扑激光器可能会在生产过程中获得更高的产量以及更强大的性能。到目前为止，第一批拓扑激光器都需要外部激光器来激发它们才能工作，从而限制了实际应用。最近，科学家们开发了电驱动拓扑激光器，但这些需要-264 °C 的低温，这也限制了它们的应用。

这里，研究人员展示了第一个室温和电泵浦拓扑绝缘体激光器，比传统激光器更有效地发光，可用于电信。该激光器结构包括一个 10×10 的微环腔网络，作为多个耦合谐振器，每个 30 微米宽，这些微环通过大约 5 微米宽的椭圆形小环相互连接。所有这些环都由半导体层夹层制成，例如砷化铟镓、磷化铟和磷化砷化铟镓。在这些异质结构上制造这些TIL 涉及精确的多步光刻/蚀刻/沉积/退火工艺。该激光器阵列使用模拟光子量子自旋霍尔效应的结构，当该阵列边缘的电极对这个网格进行电泵浦时，这些环会产生波长为 1.5 微米的激光，这是光纤通信中最常用的波长。环的尺寸和几何形状、环彼此之间的位置以及半导体层的特定厚度和组成有助于确保器中的光受到拓扑保护。拓扑保护有助于激光工作，即使某些环丢失。该设备的拓扑结构也有助于确保它发射的光几乎是所有所需的波长——一个类似的阵列，环的位置稍有不同，因此拓扑结构不同，发射的光的纯度较低，由几个不同的波长组成。

未来的工作可能涉及基于悬浮石墨烯片作为透明电极的更有效的电流注入方案。此外，拓扑边缘模式的手性（旋转方向）可以通过在微谐振器中加入内部 S 弯曲来明确设置。 这项工作有望推动激光科学和技术的进一步发展，同时为拓扑光子学开辟新的可能性。有望为实现一类以单频和扩展空间模式工作的新型电泵浦相干和锁相激光器阵列铺平道路。