Små lasere, der fungerer sammen som en:Topologiske laserarrays med lodrette hulrum

Israelske og tyske forskere har udviklet en måde at tvinge en række lodrette hulrumslasere til at fungere sammen som en enkelt laser - et yderst effektivt lasernetværk på størrelse med et sandkorn. Resultaterne præsenteres i et nyt fælles forskningsartikel offentliggjort online af det prestigefyldte tidsskrift Videnskab på fredag, 24. september.

Mobiltelefoner, bilsensorer eller datatransmission i fiberoptiske netværk bruger alle såkaldte Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs)-halvlederlasere, der er fast forankret i vores dagligdagsteknologi. Selvom det er meget udbredt, VCSEL -enheden har en lille størrelse på kun et par mikrometer, som sætter en streng grænse for den udgangseffekt, den kan generere. Årevis, forskere har søgt at forbedre den effekt, der udsendes af sådanne enheder ved at kombinere mange små VCSEL'er og tvinge dem til at fungere som en enkelt sammenhængende laser, men havde begrænset succes. Det nuværende gennembrud anvender en anden ordning:det anvender et unikt geometrisk arrangement af VCSEL'er på chippen, der tvinger flyvningen til at flyde i en bestemt sti - en fotonisk topologisk isolatorplatform.

Fra topologiske isolatorer til topologiske lasere

Topologiske isolatorer er revolutionerende kvantematerialer, der isolerer på indersiden, men leder elektricitet på deres overflade - uden tab. For flere år siden, Technion -gruppen ledet af prof. Mordechai Segev har introduceret disse innovative ideer til fotonik, og demonstrerede den første fotoniske topologiske isolator, hvor lys bevæger sig rundt om kanterne på et todimensionalt array af bølgeledere uden at blive påvirket af defekter eller uorden. Dette åbnede et nyt felt, nu kendt som "Topologisk fotonik, "hvor hundredvis af grupper i øjeblikket har aktiv forskning. I 2018, samme gruppe fandt også en måde at bruge egenskaberne ved fotoniske topologiske isolatorer til at tvinge mange mikroringlasere til at låse sammen og fungere som en enkelt laser. Men det system havde stadig en stor flaskehals:lyset cirkulerede i den fotoniske chip, der var begrænset til det samme fly, der blev brugt til at udtrække lyset. Det betød, at hele systemet igen var underlagt en effektgrænse, pålagt af enheden, der bruges til at få lyset ud, ligner at have en enkelt stikkontakt til et helt kraftværk. Det nuværende gennembrud anvender en anden ordning:laserne tvinges til at låse sig inde i den plane chip, men lyset udsendes nu gennem chipens overflade fra hver lille laser og kan let opsamles.

Omstændigheder og deltagere

Dette tysk-israelske forskningsprojekt opstod primært under Corona-pandemien. Uden de involverede forskeres enorme engagement, denne videnskabelige milepæl ville ikke have været mulig. Undersøgelsen blev udført af ph.d. studerende Alex Dikopoltsev fra teamet af fremtrædende professor Mordechai Segev, af fysikafdelingen og afdelingen for elektrisk og computerteknik ved Technion — Israel Institute of Technology, og ph.d. studerende Tristan H. Harder fra teamet af prof. Sebastian Klembt og prof. Sven Höfling ved formanden for anvendt fysik ved universitetet i Würzburg, og Cluster of Excellence ct.qmat - Kompleksitet og topologi i kvantemateriale, i samarbejde med forskere fra Jena og Oldenburg. Enhedens fremstilling udnyttede de fremragende renrumsfaciliteter på University of Würzburg.

Den lange vej til nye topologiske lasere

"Det er fascinerende at se, hvordan videnskaben udvikler sig, "sagde prof. Segev fra Technion." Vi gik fra fundamentale fysikbegreber til fundamentale ændringer deri, og nu til reel teknologi, der nu forfølges af virksomheder. Tilbage i 2015, da vi begyndte at arbejde med topologiske isolatorlasere, ingen troede på, at det var muligt, fordi de topologiske begreber, der var kendt på det tidspunkt, var begrænset til systemer, der ikke gør det, faktisk - kan ikke - have gevinst. Men alle lasere kræver gevinst. Så topologiske isolatorlasere stod imod alt det, man kendte dengang. Vi var som en flok tossede, der ledte efter noget, der blev anset for umuligt. Og nu har vi taget et stort skridt i retning af ægte teknologi, der har mange applikationer. "

Det israelske og tyske team udnyttede begreberne topologisk fotonik med VCSEL'er, der udsender lyset lodret, mens den topologiske proces, der er ansvarlig for den gensidige sammenhæng og låsning af VCSEL'erne, sker i chipens plan. Slutresultatet er en kraftfuld, men meget kompakt og effektiv laser, ikke begrænset af et antal VCSEL -emittere, og uforstyrret af fejl eller temperaturændringer.

"Det topologiske princip for denne laser kan generelt fungere for alle bølgelængder og dermed en række materialer, "forklarer den tyske projektleder prof. Sebastian Klembt fra universitetet i Würzburg, arbejder på lys-stof-interaktion og topologisk fotonik inden for ct.qmat Cluster of Excellence. "Præcis hvor mange mikrolasere, der skal arrangeres og tilsluttes, vil altid afhænge helt af applikationen. Vi kan udvide størrelsen på lasernetværket til en meget stor størrelse, og i princippet vil det forblive sammenhængende også for store antal. Det er dejligt at se den topologi, oprindeligt en gren af ​​matematik, er opstået som en revolutionerende ny værktøjskasse til styring, styring og forbedring af laseregenskaber. "

Den banebrydende forskning har vist, at det faktisk er teoretisk og eksperimentelt muligt at kombinere VCSEL'er for at opnå en mere robust og yderst effektiv laser. Som sådan, resultaterne af undersøgelsen baner vej mod anvendelser af adskillige fremtidige teknologier såsom medicinsk udstyr, kommunikation, og en række virkelige applikationer.