Крошечные лазеры, действующие как единое целое: топологические лазерные массивы с вертикальным резонатором

Израильские и немецкие исследователи разработали способ заставить массив лазеров с вертикальным резонатором действовать вместе как единый лазер – высокоэффективную лазерную сеть размером с песчинку. Результаты представлены в новом совместном исследовании, опубликованном в журнале онлайн. Наука в пятницу, 24 сентября.


Сотовые телефоны, автомобильные датчики или передача данных в оптоволоконных сетях используют так называемые лазеры с поверхностным излучением с вертикальной полостью (VCSEL) – полупроводниковые лазеры, которые прочно вошли в нашу повседневную технологию. Несмотря на широкое распространение, устройство VCSEL имеет крошечный размер всего в несколько микрон, что устанавливает строгий предел выходной мощности, которую оно может генерировать. В течение многих лет ученые стремились увеличить мощность, излучаемую такими устройствами, путем объединения множества крошечных лазеров VCSEL и принуждения их к работе в качестве единого когерентного лазера, но это имело ограниченный успех. Текущий прорыв использует другую схему: в нем используется уникальное геометрическое расположение VCSEL на кристалле, которое заставляет полет проходить по определенному пути – платформе фотонного топологического изолятора.

От топологических изоляторов до топологических лазеров

Топологические изоляторы – это революционные квантовые материалы, которые изолируют изнутри, но проводят на своей поверхности без потерь. Несколько лет назад группа Техниона под руководством профессора Мордехая Сегева представила эти инновационные идеи в фотонике и продемонстрировала первый фотонный топологический изолятор, в котором свет проходит по краям двумерного массива волноводов, не подвергаясь воздействию дефектов или беспорядка. . Это открыло новую область, известную теперь как «Топологическая фотоника», в которой сотни групп в настоящее время проводят активные исследования. В 2018 году та же группа также нашла способ использовать свойства фотонных топологических изоляторов, чтобы заставить множество лазеров с микрокольцами объединяться и действовать как единый лазер. Но у этой системы все еще было серьезное узкое место: свет циркулировал в фотонном чипе, ограниченный той же плоскостью, которая использовалась для его вывода. Это означало, что вся система снова подвергалась ограничению мощности, налагаемому устройством, используемым для выключения света, подобно наличию одной розетки для всей электростанции. Текущий прорыв использует другую схему: лазеры вынуждены блокироваться внутри плоского чипа, но теперь свет излучается через поверхность чипа от каждого крошечного лазера и может быть легко собран.

Обстоятельства и участники

Этот германо-израильский исследовательский проект зародился в первую очередь во время пандемии короны. Без огромной приверженности исследователей эта научная веха была бы невозможна. Исследование было проведено аспирантом Алексом Дикопольцевым из команды заслуженного профессора Мордехая Сегева с физического факультета и кафедры электротехники и вычислительной техники Израильского технологического института Технион и аспирантом Тристаном Хардером из команды Профессор Себастьян Клембт и профессор Свен Хёфлинг с кафедры прикладной физики Вюрцбургского университета и кластера передового опыта ct.qmat – Сложность и топология в квантовой материи в сотрудничестве с исследователями из Йены и Ольденбурга. При изготовлении устройства использовались превосходные чистые помещения Университета Вюрцбурга.

Долгая дорога к новым топологическим лазерам

«Удивительно наблюдать, как развивается наука, – сказал профессор Сегев из Техниона. «Мы перешли от фундаментальных концепций физики к фундаментальным изменениям в них, а теперь и к реальным технологиям, которыми сейчас занимаются компании. Еще в 2015 году, когда мы начали работать над топологическими изоляционными лазерами, никто не верил, что это возможно, потому что топологические концепции, известные в в то время были ограничены системами, которые фактически – не могут – иметь усиление. Но все лазеры требуют усиления. Таким образом, топологические изолирующие лазеры противостояли всему известному в то время. считается невозможным. И теперь мы сделали большой шаг к реальной технологии, которая имеет множество применений ».

Израильская и немецкая команды использовали концепции топологической фотоники с VCSEL, которые излучают свет вертикально, в то время как топологический процесс, ответственный за взаимную когерентность и блокировку VCSEL, происходит в плоскости чипа. Конечным результатом является мощный, но очень компактный и эффективный лазер, не ограниченный количеством излучателей VCSEL и не подверженный дефектам или изменению температуры.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments