结合拓扑光子学和VCSEL,研发拓扑垂直腔激光器阵列

原创 MEMS 2021-10-14 00:00

垂直腔激光器拓扑阵列的艺术图:30个微型激光器作为一个整体,共同发射出相干激光(红色)


据麦姆斯咨询报道,近日,以色列和德国的研究人员联合开发出一种能使一组垂直腔激光器集成于一体的方法,从而组成一个沙粒大小的高效激光器阵列。这项研究成果发表在著名期刊《科学(Science)》在线发表的一篇研究论文中,题目为《Topological insulator vertical-cavity laser array》,论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abj2232。

智能手机、汽车激光雷达,以及光纤网络中的数据传输都在使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)——半导体激光器已深入我们的日常生活之中。尽管应用广泛,但微型VCSEL产生的输出功率受到严格的限制。多年来,科学家们一直试图通过将多个微型VCSEL集成为单个相干激光器来提高此类半导体激光器的发射功率,不过收效甚微。研究人员此次取得的突破使用了不同以往的方案——光子拓扑绝缘体平台,在芯片上集成了独特的VCSEL几何排列,每个VCSEL垂直发射,但拓扑绝缘体平台中发射器之间的面内耦合,促进了整个VCSEL阵列的相干发射。

用好拓扑学,改变光束直线传播

光束的本性是沿直线传播,怎样才能改变其本性呢?这必须依靠拓扑学。作为近代发展起来的一个研究连续形变现象的数学分支,拓扑学相对深奥,我们可以通过简单类比来理解。简单地说,拓扑是研究几何体中含有“孔洞”个数(即“拓扑数”)的一门学问。比如说,人们喜欢的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈,在结构中都有一个洞,在数学上,我们可以将这种中间有且只有一个“孔洞”的结构,归为一类,看作是只有一个“孔洞”的圆环体。对于篮球、足球、西瓜等没有“孔洞”结构的物体,则将其归为另一类。它们虽然都属于圆环体,但前者“孔洞”个数为1,后者为0,结构不同,在性质上就存在很大的差异。简单地说,按照不同物体中所包含的“孔洞”个数进行分类,并对“孔洞”个数相同的物体进行性质上的类比,就是拓扑学意义上的分类。

拓扑学是一个很神奇的数学概念,它进入物理学领域后,最早被用来描述物质中电子运动规律,并由此发现了“拓扑绝缘体”。这一新奇的材料相比于不导电的橡胶等普通绝缘体,虽然同样能阻止电荷流动,但在其表面犹如为电子开辟了一条“高速公路”,可以让电子无障碍、低损耗地高速穿流。

“拓扑绝缘体”这一独特功能,让物理学家们浮想联翩——当两种具有不同拓扑数的材料紧密拼接在一起时,其界面处必然会产生一个光学拓扑边界态。如此一来,耦合到物质表面的光,自然不会也不需要穿入物质体内,经历犹如塞车般的“散射和吸收”,而乖乖地走上了属于自己的那条表面通道。这个光学拓扑边界态就相当于光子的专用“高速公路”,但它并非是一条直线,而像普通道路一样有大小不等的弯道,光子在这条“高速公路”上传播,只能沿着弯曲的道路通行,即在物质表面“曲线传播”。这样,就改变了光束直线传播的本性。

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,它内部绝缘但在其表面导电且无损耗。几年前,由Mordechai Segev教授领导的Technion小组将该创新理念引入光子学,并展示了第一个光子拓扑绝缘体,其中光在二维波导阵列的边缘传播而不受缺陷或无序的影响。这开辟了一个新领域,现在被称为“拓扑光子学”,目前有数百个团体正在积极开展研究。

激光是利用谐振腔对种子光的来回反射实现光放大,而谐振腔内的瑕疵会影响激光损耗阈值,从而使激光输出功率大幅降低甚至无法出光。如果利用光波对结构缺陷的免疫能力,采用光学拓扑绝缘体设计的谐振腔,则可以完美避开腔内瑕疵,使激光器工作效率更高、性能更稳定。

2018年,Technion小组找到了一种方法来利用光子拓扑绝缘体的性质来构建一种新型的激光器,这种激光器表现出独特的性质——高度相干且高功率,并极大地提高了激光器阵列的稳健性,为未来的大规模应用打开了大门。在他们的研究中,建立了一个特殊的微环谐振器阵列,其激光的模式展现出受到拓扑保护的传输——光沿着激光阵列的边缘在一个方向上传播,不受缺陷和无序的影响,不受边缘形状的影响。这反过来又如实验证明的那样,会导致高效率的单模激光。由于制造的阵列使用的是标准半导体材料,而不需要磁场或奇异的磁光材料,因此可以集成在半导体器件之中。

研究人员证明,不仅拓扑激光器在理论上是可行的,而且在实验上也是可行的,综合上述这些性质可以创造出更高效的激光器。未来,以拓扑激光器为核心的新型有源拓扑光子器件,将为传感、通信等领域带来革命性变化。

垂直腔激光器阵列的拓扑结构和光子特性


项目情况和参与者

这项德国-以色列研究项目主要起源于新冠肺炎(COVID-19)大流行期间。如果没有相关研究人员的巨大投入,这一科学里程碑就不可能实现。该研究工作的主要参与者是以色列理工学院物理系和电气与计算机工程系Segev团队的博士生Alex Dikopoltsev,以及维尔茨堡大学应用物理学系Sebastian Klembt教授和Sven Höfling教授团队的博士生Tristan H. Harder,并与来自Jena和Oldenburg的研究人员合作,在量子物质的复杂性和拓扑结构集群方面取得了卓越成就。此项研究中的拓扑激光器制造使用了维尔茨堡大学出色的洁净室设施。

通往新型拓扑激光器的漫漫长路

Segev表示:“看到科学如何发展是一件很有趣的事情。我们从基本的物理概念到基础性研究,再到如今追求真正技术。早在2015年,当我们开始研究基于拓扑绝缘体的激光器时,没人相信这是可能的。因为当时已知的拓扑概念仅限于没有增益的系统,但是所有的激光器都需要增益。因此,拓扑激光器与当时已知的一切背道而驰。我们就像一群疯子在寻找被认为不可能的事情。现在我们已经朝着具有许多应用的真正技术迈出了一大步。”

以色列和德国的研究团队将拓扑光子学的概念与垂直发光的VCSEL结合起来,其中负责VCSEL相干和锁定的拓扑过程发生在芯片平面上。最终结果是产生一种强大但非常紧凑和高效的激光器,不受多个VCSEL发射器的限制,并且不受缺陷或温度变化的干扰。

“这种激光器的拓扑原理通常适用于所有波长,因此适用于一系列材料。”Klembt解释说,“究竟需要布置和连接多少个微型激光器完全取决于应用需求。我们可以将激光器阵列规模扩展到非常大,并且原则上它也将在大规模的情况下保持一致。我很高兴看到拓扑学从最初是数学的一个分支,发展成为一门革命性的新技术——用于控制和改善激光性能的工具箱。”

这项开创性的研究表明,拓扑光子学可以结合VCSEL来实现更强大、更高效的激光器,未来发展之路虽然漫长,但是前景乐观。


延伸阅读:
《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》




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