拓撲雷射腔或為光電科學帶來變革

導語：傳統的雷射腔通常只能做成環形，這會大大降低晶片空間的使用率。Kante的團隊最新研製了一種基於拓撲絕緣體原理的新型雷射腔，通過在新型雷射腔上添加磁場，研究人員就可以自由控制雷射方向。該研究或將為光電科學帶來變革，並最終催生出全光子計算技術。

一種新型的雷射腔（laser cavity）能夠被做成任何形狀，並通過磁場來改變光的流動，這個新技術是基於一項諾貝爾物理學獎的研究。

「能利用光做這種事將具有令人激動的前景」，加利福尼亞大學聖地牙哥分校（the University of California, San Diego）的物理學家Boubacar Kante這樣說道。Kante和他的同事們在近期的《科學》雜誌上描述了他們所說的「拓撲腔」（topological cavities）。

通常，一個用於放大光線的雷射腔會被製成環形。如果在上面有尖角，部分光線就會丟失，而且雷射也無法工作。而環形的雷射腔帶來的結果是，如果工程師想要在一塊晶片上放置許多的雷射器——比如用於光學通信和計算，那麼環之間將會有大量浪費了的可用空間。

Kante的小組通過研發一種拓撲腔結構來克服了這個形狀上的局限。他們把量子阱（形成雷射的部分）構建在磷化砷鎵銦（indium gallium arsenide phosphide，譯者註：電注入式半導體雷射器材料）的外側。並將這些放置在由釔鐵石榴石（yttrium iron garnet，譯者註：固體雷射器材料）製作的光子晶體內。一個光子晶體的晶體結構尺寸與通過其的光線波長相等，這種結構像一面鏡子一樣使光線按照特定的方向傳播。

在這種情況下，研究人員製作了兩種不同拓撲結構的光子晶體。其中一種有一個置於方形晶格裡的星形晶胞（unit cell，重複存在以形成晶體結構的基本晶體形狀）；另一種則是有圓柱形氣孔的三角形晶格。Kante把它們分別比作百吉餅和椒鹽卷餅，雖然它們本質上都是帶孔的麵包，但是不同數量的孔意味著它們在根本上是不同的形狀。

在Kante的系統中，一個光子晶體位於另一個不同的光子晶體中，而兩種不同晶體接觸形成的界面就是雷射腔。他說：「這個界面可以做成你想要的任何形狀」。

隨著晶體的就位，Kante接下來在上面施加磁場，這就使系統變成了一種拓撲絕緣體（topological insulator）的光學等價物，拓撲絕緣體內部由絕緣材料構成，但電能沿著材料的表面傳導。2016年的諾貝爾物理學獎就頒發給了為拓撲絕緣體的發明奠定了基礎的科學家，但之前研發的器件主要關注點在電流方面。在一個光子晶體拓撲絕緣體中，光線的流動被約束在晶體結構接觸的表面。改變磁場信號就能改變光線發射的方向。

這個新設備的直接應用價值是工程師能在一塊晶片內更加密集地安置雷射器，從而使得光通信變得更加高速。而擁有新的控制光線的技術最終可能幫助我們研發新型的光子器件，並為全光學計算機的產生鋪平道路，這將比現在的計算機更快、更節能。

（翻譯：林志鵬 審校：郭曉）

原文連結【科學美國人博客】：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/optoelectronics/topological-laser-cavities-could-revolutionize-optoelectronics