Science ｜ 拓扑绝缘体实现30个微型激光器的共相干发射

德国和以色列的研究人员构建了一个由30个垂直腔面发射激光器（VCSELs）组成的阵列，并首次实现了单一的相干光源输出，为大规模、高功率的激光应用奠定了基础。激光器阵列的设计借鉴了拓扑绝缘体的概念，研究人员目前正在进一步完善该技术，以用于医疗设备和通信网络。该研究目前已发表于Science。

VCSEL经常被用于从便携式电话和光通信到仪器、制造、传感甚至是面部识别等应用领域。与其他激光器相同，VCSEL包含增益介质，光在增益介质中产生和发射。对于VCSELs来说，这种增益介质由量子阱或量子点制成，并夹在两个腔镜之间，形成光学反馈。增益介质只有厚度在纳米量级，因此VCSEL具有较高的开关速度，以及紧凑和轻巧的结构。

然而，VCSEL的小尺寸严重限制了其输出功率。在过去的几十年里，研究人员试图通过结合许多VCSEL来提高这一功率。问题是，一些在制造过程中不可避免的缺陷往往导致VCSEL独自或几个VCSELs以小的单位发光，与其他发光组不同步，因此激光器阵列的输出不连贯。

垂直发射激光器的拓扑阵列

由德国维尔茨堡大学的Sebastian Klembt和以色列理工学院的Mordechai Segev领导的团队现在已经找到了一种将多个VCSELs锁定在一起的方法，即将VCSELs放置在一个遵循拓扑绝缘体概念的几何形状中。拓扑绝缘体是一种量子材料，在其主体中是绝缘的，但在其表面是优秀的电导体。

拓扑绝缘体的概念并不新鲜，但在2013年Segev、Alex Szameit和德国罗斯托克大学的学生展示了第一个光子拓扑绝缘体。他们的工作启动了一个新的物理学领域，现在被称为拓扑光子学。当该团队开始研究拓扑绝缘体激光器时，一项不可忽略的困难是所有的激光器都需要增益。然而，在当时所有关于拓扑系统的知识建立在赫米特系统上，即系统是没有增益和损失。

在该团队搭建的第一个光子拓扑激光器中，光在一个二维波导阵列的边缘游走，没有被波导中的缺陷或无序所偏离。几年后，研究人员证明他们可以迫使许多微型激光器一起发光，即表现为一个单独的激光器。然而，这个系统仍受到一个重要的限制：在光子学结构中循环的光与被输出光平面相同。这意味着，该系统的功率输出再次受到设备尺寸的限制。

为了解决这一问题，新的拓扑绝缘体VSCEL阵列由两种类型的蜂窝状格子，包括被拉伸的蜂巢形和被压缩的蜂巢形组成，每个顶点都有一个纳米级的支柱。研究人员在被拉伸的蜂巢和被压缩的蜂巢之间建立了一个界面。当选择适当的参数时，该拓扑界面会引导光必须从一个VCSEL流向下一个VCSEL。这种一致的“光流”符合拓扑学的原理，从而迫使每个激光器的光到达所有其他激光器，以便它们相干地锁定。因此，VCSEL阵列能够单一频率发射并互相干涉。更重要的是，现在每个激光器的光都通过结构的表面发射出来，是易于收集的。

该研究在实验上验证了光拓扑传输的力量，其所展示的拓扑设计原则上可以进一步扩大规模，纳入数百个VCSELs。