又一篇《nature》！NTU 研发出第一台电泵浦“拓扑”激光器

编者按

来自新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）和英国利兹大学（University of Leeds）的科学家和工程师，利用理论物理学中的拓扑状态概念来制造了第一台电泵浦“拓扑”激光器，可以很好地解决传统电泵浦半导体激光器设备制造过程中产生的缺陷，从而提高生产效率。

该研究成果已于今年2月13日在科学期刊 Nature 上发表。

第一台电泵浦“拓扑”激光器

电泵浦半导体激光器是当今最常见的激光器类型。它的应用非常广泛，在我们的生活中有很多它的身影，如条形码读取器、激光打印机等。

除此之外，它还被应用到光纤通信和一些新兴应用领域，例如自动驾驶汽车的激光测距传感器。

NTU全球首量无人驾驶电动大型Bus， 来源：ntu官网

电泵浦半导体激光器的制造过程是非常严格的，一旦在制造的过程中出现任何的瑕疵，制造出来的激光器就不能正常使用。

NTU电气与电子工程学院的首席科学家 Wang QiJie 教授说：“目前的技术在制造和包装过程中总会出现一些小问题，每批制造的激光设备中都有一部分无法发射激光。” “这也正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更坚固。”

为了使光子在激光平台上实现拓扑状态，NTU和Leeds（利兹大学）团队设计了一种谷结构的光子晶体（Valley Photonic Crystal），该设计的灵感来自二维Valleytronic绝缘子的电子拓扑材料。

联合团队展示研究成果， 来源：NTU

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，使其结构极为紧凑。

具有拓扑保护谷边模的太赫兹量子级联激光器的设计

图源：Nature

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。

为什么光波可以在三角形结构中出现环内循环的现象呢？普通的光波会被三角形的尖角阻隔，使它们不能顺畅地循环。

NTU物理论物理学家YiDong Chong副教授解释道：“光在三角形环内循环的现象，是由于拓扑状态的特殊特征所致。”

拓扑太赫兹量子级联激光器的制备与表征

图源：Nature

《自然》杂志在2月13日发表了有关电泵浦半导体激光器研究最新进展，NTU联合英国Leeds（利兹大学）科学家利用理论物理学中的拓扑状态概念制造了第一台电泵浦“拓扑”激光器。这种激光器被认为有望通过使用现有的半导体技术来提高生产效率。

Nature周报封面（2月13日）， 来源：Nature官网

未来发展

这项研究的资深作者，利兹大学工程与物理科学学院的Giles Davies FREng 教授说：“拓扑激光器是将迷人的基础科学现象应用于电子设备的一个很好的例子，并且我们的研究表明，这种应用可以提高激光器系统的性能。”

在这种新型拓扑结构下，量子级联激光器发出光的频率为太赫兹频率（ Terahertz Frequencies），介于电磁频谱的微波和红外区域之间。

太赫兹光（ Terahertz Light）已被认定在未来会被广泛的应用在传感，照明和无线通信行业中。

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。 题为“ Electrically Pumped Topological Laser with Valley Edge Modes ”的论文，发表于2020年2月13日的《自然》杂志上。

王教授说：“我们在该项目中使用的设计被称为谷结构光子晶体（Valley Photonic Crystal），这不是创建拓扑状态的唯一方法。” “有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程序的需求来定制设计。”

由于这种激光器由电驱动，能为拓扑系统的实际应用开辟出一条道路。

本文来源于NTU官网

“Electrically Pumped Topological Laser with Valley Edge Modes”，发表于2020年2月13日《自然》杂志

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