來自新加坡南洋理工大學(xué)和英國(guó)利茲大學(xué)的科學(xué)家和工程師們，發(fā)明了第一臺(tái)電驅(qū)動(dòng)拓?fù)浼す馄鳎哂欣@過角落路由輕粒子的能力，并能夠應(yīng)對(duì)設(shè)備制造中的缺陷。

電驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器是當(dāng)今最常見的激光器件，它們被用于條形碼閱讀器和激光打印機(jī)等產(chǎn)品，用于光纖通信，以及用于新興應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛汽車的激光測(cè)距傳感器。然而制造是一個(gè)嚴(yán)格的過程，如果在這些過程中在激光器的結(jié)構(gòu)中引入任何缺陷，那么當(dāng)前的激光器設(shè)計(jì)就不能很好地工作。

在新發(fā)表在《自然》期刊上的研究中，南洋理工大學(xué)和利茲大學(xué)的科學(xué)研究進(jìn)展，克服了這個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，并能利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)，帶來更高效率和更少浪費(fèi)的制造。這是通過利用理論物理中稱為“拓?fù)鋺B(tài)”的概念，制造拓?fù)浼す馄鱽韺?shí)現(xiàn)的。

在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在某些材料中流動(dòng)的電子具有拓?fù)涮卣?，這意味著它們可以繞過角落或缺陷流動(dòng)，而不會(huì)散射或泄漏。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位理論物理學(xué)家，就因他們開創(chuàng)了對(duì)電子這種拓?fù)鋺B(tài)的研究。

現(xiàn)在，新加坡南大的一個(gè)由工程師和物理學(xué)家組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)與利茲大學(xué)的材料科學(xué)家合作，將這種拓?fù)浞椒☉?yīng)用于輕粒子，即光子。南洋理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院首席科學(xué)家王齊杰教授說：

每一批制造的激光設(shè)備，都有一些部分由于制造和封裝過程中引入的缺陷而無法發(fā)射激光，這是我們探索激光的拓?fù)鋺B(tài)動(dòng)機(jī)之一，激光的拓?fù)鋺B(tài)比普通光波要穩(wěn)定得多。在目前的研究中，研究人員使用了一種名為量子級(jí)聯(lián)激光器的電驅(qū)動(dòng)激光器，該激光器基于利茲大學(xué)開發(fā)的先進(jìn)半導(dǎo)體晶片。

這項(xiàng)研究的資深作者、利茲大學(xué)工程和物理科學(xué)學(xué)院負(fù)責(zé)研究和創(chuàng)新的副院長(zhǎng)賈爾斯·戴維斯·弗雷恩教授說：拓?fù)浼す馄魇菍⒁环N引人入勝的基本科學(xué)現(xiàn)象，應(yīng)用于實(shí)際電子設(shè)備的一個(gè)很好例子，正如研究顯示的那樣，它具有改善激光系統(tǒng)性能的潛力。

為了在激光平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)拓?fù)錉顟B(tài)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)，其中包含一種谷光子晶體，其靈感來自于被稱為二維谷電子絕緣體的電子拓?fù)洳牧稀Ｔ撛O(shè)計(jì)由排列在三角形晶格中的六角形孔組成，蝕刻在半導(dǎo)體晶片上，使其非常微型。

在微結(jié)構(gòu)內(nèi)，激光的拓?fù)鋺B(tài)在1.2毫米圓周的三角形環(huán)內(nèi)循環(huán)，充當(dāng)光學(xué)諧振器，積累形成激光束所需的光能。新加坡國(guó)立大學(xué)理論物理學(xué)家、該項(xiàng)目聯(lián)合首席研究員易東沖副教授表示：

光在這個(gè)環(huán)路中循環(huán)，包括繞著三角形的尖角運(yùn)動(dòng)，這是由于拓?fù)鋺B(tài)的特殊特征，普通光波會(huì)被尖銳的角落干擾，使它們無法平穩(wěn)地循環(huán)。研究人員指出，新的拓?fù)淞孔蛹?jí)聯(lián)激光器的一個(gè)有趣特征是：它發(fā)出的光，是在電磁光譜微波和紅外區(qū)域之間的太赫茲頻率。

太赫茲光已被確定為未來在傳感、照明和無線通信中可能出現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用主要領(lǐng)域之一。這項(xiàng)研究項(xiàng)目歷時(shí)兩年，涉及一個(gè)由12名研究人員組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員還包括：

臺(tái)大物理學(xué)家張柏樂副教授(博士后研究員，也是該論文的第一作者)，以及利茲大學(xué)太赫茲電子學(xué)教授Edmund Linfield教授和高級(jí)研究員Lianhe Li博士。展望未來，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)正在研究利用其他類型拓?fù)鋺B(tài)的激光器。在這個(gè)項(xiàng)目中使用的設(shè)計(jì)，叫做谷光子晶體，并不是創(chuàng)造拓?fù)鋺B(tài)的唯一方法。

有許多不同類型的拓?fù)錉顟B(tài)，提供針對(duì)不同類型缺陷的保護(hù)，研究人員還認(rèn)為，根據(jù)不同設(shè)備和應(yīng)用需求量身定做設(shè)計(jì)將是可能的。2018年，以色列理工學(xué)院和美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種由一系列相連光學(xué)諧振器制成的拓?fù)浼す馄鳌?/p>

研究表明，激光的拓?fù)鋺B(tài)，可以有效地在激光陣列中的角落和缺陷周圍傳播。然而，這種原型激光器的缺點(diǎn)比大多數(shù)半導(dǎo)體激光器大得多，而且是光學(xué)驅(qū)動(dòng)的，這意味著它是由另一臺(tái)激光器供電的。

博科園｜研究/來自：南洋理工大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-1981-x

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