拓扑垂直腔激光阵列可整合为一个微型激光系统，优化激光特性

江苏激光联盟导读：

研究人员在《Science》上称他们已经开发出一种方法，可使一组垂直腔激光器整合为单个激光系统工作，形成一个沙粒大小的高效激光网络，为更高效的激光器以及医疗和通信应用提供更多可能！

手机、汽车传感器或光纤网络中的数据传输都在使用所谓的垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs)，这种半导体激光器在我们日常生活中随处可见。尽管被广泛使用，但垂直腔面发射激光器尺寸极小，只有几微米，对其输出功率带来了较多限制。

多年来，科学家们一直试图通过将许多微小的垂直腔面发射激光器结合起来，并迫使它们作为一个单一的相干激光器来增强这些设备发射的功率，但都没有取得突破收获。目前的突破源于其使用了一种不同的方案：在芯片上采用了一种独特的垂直腔面发射激光几何排列——光子拓扑绝缘体平台，迫使其以特定的路径流动。

从拓扑绝缘体到拓扑激光器

拓扑绝缘体是革命性的量子材料，内部绝缘，但表面导电，与此同时不产生损耗。几年前，由Mordechai Segev教授领导的技术小组将这些创新思想引入光子学，并展示了第一个光子拓扑绝缘体，光在二维波导阵列的边缘传播，不受缺陷或无序的影响。这开启了一个新的领域——“拓扑光子学”，目前有数百个小组在这个领域进行积极的研究。2018年，同一小组还找到了一种方法，利用光子拓扑绝缘体的特性，迫使许多微环激光器锁定在一起，充当单个激光器。但是该系统仍存在一个瓶颈——光在同一平面提取光的光子芯片中不断循环。这意味着整个系统再次受到发光设备的功率限制。

2018年该团队的拓扑绝缘体激光器

该团队此次突破使用了一种新方案，使激光被强制锁定在平面芯片内，与此同时光通过芯片表面从每个微小的激光器发射，并且可以很容易地被收集。

通向新型拓扑激光器的漫漫长路

作为该研究发现的探索者、促进者，Segev教授激动地说：“科学探索是如何进化的、科研是如何步步推进的，这些都十分有趣。我们从基础物理概念到其中的基础变化，现在又到了公司追求的真正可商业化技术。早在2015年，我们即开始研究拓扑绝缘体激光器，彼时没有人相信这是可能的，因为当时已知的拓扑概念仅限于实际上没有增益的系统。但是所有的激光器都需要增益。所以拓扑绝缘体激光器在当时看来如天方夜谭。我们那时候的探索可能在大家看来跟疯子差不多。而现在，我们已经朝着拥有众多应用的真正技术迈出了一大步。”

该以色列和德国团队利用垂直发射光的垂直腔面发射激光器和拓扑光子学概念，负责垂直腔面发射激光器相互间相干和锁定的拓扑一般发生在芯片平面。最终形成一个强大但非常紧凑和高效的激光器，不受垂直腔面发射激光器发射器的限制，也不受缺陷或温度变化的干扰。

垂直发射激光器拓扑阵列的艺术图。沿着拓扑界面(蓝色)的30个微激光器作为一个整体，共同发射相干激光(红色)

项目负责人之一的Sebastian Klembt教授解释说：“这种激光器的拓扑原理通常可以适用于所有波长，从而适用于一系列材料。需要布置和连接的微型激光器确切数量取决于其应用。我们可以将激光网络扩大到一个非常大的规模，原则上它也将保持大量的相干性。拓扑学（最初是数学的一个分支）已经成为一个革命性的新工具，用于控制、操纵和优化激光特性。"

这一创新性研究表明，理论和实验研究中都可将垂直腔面发射激光器结合起来，以提高鲁棒性、实现更高效的激光器。因此，这项研究结果为许多未来技术的应用铺平了道路，如医疗设备、通信和各种现实世界的应用。

来源：Tiny lasers acting together as one: Topological vertical cavity laser arrays，UNIVERSITY OF WÜRZBURG. 该研究发表在《Science》上 DOI：10.1126/science.abj2232