重大进展：世界上第一台电驱动“拓扑”激光器

来自新加坡南洋理工大学和英国利兹大学的科学家和工程师创造了第一台电驱动的“拓扑”激光器，该激光器能够将光粒子绕过角落并应对设备制造中的缺陷。

电驱动半导体激光器是当今最常见的激光器，可用于条形码读取器和激光打印机等产品、光纤通信及新兴应用，例如用于自动驾驶汽车的激光测距传感器。但其制造过程要求非常严格，如果出现任何缺陷，将对激光器的性能及功能造成很大影响。

2月12日《自然》杂志报道的第一台电驱动的“拓扑”激光器，克服了这一长期存在的问题，并有望利用现有的半导体技术提升生产效率和减少浪费。通过利用理论物理学中称为拓扑状态的概念来完成的，以制造“拓扑激光器”。

在1980年代，科学家发现在某些材料中流动的电子具有“拓扑特征”，这意味着它们可以绕过拐角或缺陷流动，而不会发生散射或泄漏。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位率先研究此类电子拓扑状态的理论物理学家。

现在，来自新加坡南大的工程师和物理学家的跨学科团队与利兹大学的材料科学家合作，已将这种拓扑方法应用于称为光子的轻粒子。

南大新加坡电气与电子工程学院首席科学家Qi Jie Wang教授表示：“由于制造和封装过程中引入的缺陷，每批制造的激光设备都有一部分无法发射激光。这是我们探索光的拓扑状态的动机之一，光的拓扑状态比普通的光波要强大得多。”

在本研究中，研究人员基于由利兹大学开发的量子级联激光器的电驱动激光器。利兹大学工程与物理科学学院研究与创新专业院长Giles Davies FREng教授表示：“拓扑激光是令人着迷的基础科学现象的一个很好的例子。应用于实际的电子设备，正如我们的研究表明的那样，它具有改善激光系统性能的潜力。”

为了在激光平台上实现拓扑状态，NTU和利兹团队开发了一种包含能谷光子晶体的新设计，该设计的灵感来自被称为二维能谷电子绝缘子的电子拓扑材料。该设计由布置在三角形晶格中的六边形孔组成，并蚀刻到半导体晶圆中，使其极为紧凑。在微结构内，光的拓扑状态在1.2毫米周长的三角形环内循环，充当光学谐振器，以累积形成激光束所需的光能。

NTU新加坡物理与数学科学学院理论物理学家Yi Dong Chong副教授说：“光在此中循环及绕过三角形的尖角，是由于拓扑状态的特殊特征所致。普通的光波会被尖角阻隔，从而阻止它们顺利流通。”

研究人员指出，新型拓扑量子级联激光器的一个有趣的功能是它发出的光为太赫兹频率，介于电磁频谱的微波和红外区域之间。太赫兹光已被确定有望在传感、照明和无线通信中得到应用。

该研究项目历时两年，由12名研究人员组成的跨学科团队参与。团队成员还包括NTU物理学家：Baile Zhang副教授，博士后研究员，论文的第一作者Yongquan Zeng博士；以及Edmund Linfield教授和高级研究员Lianhe Li博士。

展望未来，联合团队正在研究利用其他类型拓扑状态的激光器。

王教授说：“我们在这个项目中使用的设计被称为能谷光子晶体，它不是创造拓扑状态的唯一方法。还存在许多不同类型的拓扑状态，可以针对不同类型的缺陷提供保护。我们认为，可以根据不同设备和应用的需求定制设计。”

2018年，以色列技术学院和美国中佛罗里达大学的一个团队开发了由一系列连接的光学谐振器制成的拓扑激光器。研究人员表明，光的拓扑状态可以在激光阵列的角落和缺陷周围高效传播。但是，这种原型激光器的缺点是比大多数半导体激光器大得多，并且具有“光驱动”的功能，这意味着它由另一个激光器供电。

利兹大学的这项研究由英国工程和物理科学研究委员会资助。