科学家研发一种新型激光器，可用于更有效的通信

Jae-Hyuck Choi et al. Nature Communications 12, 1-7 (2021)Electrically pumped topological insulator laser structure comprising of a 10×10 network of microring cavities that are coupled to each other through link resonators.

利用拓扑学的观点，研究人员在2007年开发了第一种电子拓扑绝缘体，这种绝缘体内部绝缘，外部导电。沿着这些材料的边缘或表面运动的电子强烈地抵抗了任何可能改变其流动的干扰，并被称为“拓扑保护（topologically protected）”。

科学家们随后设计了光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光也受到类似的保护。这些材料在结构上有规律的变化，使特定波长的光沿着它们的外部流动，甚至在拐角和缺陷处也没有散射或损失。

下一步是开发包含拓扑保护的激光器。这种拓扑激光器只能有效地产生单一期望波长的光，而不是通过产生不需要的波长来浪费能量。此外，“他们对制造或操作过程中可能出现的缺陷不太敏感”，这意味着即使它们有缺陷也会产生这样的纯光，洛杉矶南加州大学的物理学家Mercedeh Khajavikhan如此表示，因此，拓扑激光器在生产过程中可以看到更高的产量以及更强大的性能。

然而，第一种拓扑激光器需要一个外部激光器来激励它们才能工作，限制了实际应用。最近，科学家们开发了电驱动拓扑激光器，但这些激光器需要-264℃的低温，这也限制了它们的应用。

该研究的主要作者Jae-Hyuck Choi在南加州大学，和Khajavikhan，包括另外的同事们已经开发出第一个电泵浦室温拓扑激光器（electrically pumped room-temperature topological laser）。他们在6月8日的《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的研究结果。

新装置由一个10×10的环网组成，每个环宽30微米。这些环通过大约5微米宽的小长方形环相互连接。所有这些环都是由多层半导体组成的三明治结构，如砷化铟镓、磷化铟和磷化铟镓砷化铟。

传统激光器只有一个储存光能的谐振腔，这样就可以产生激光。提高激光器输出功率的一种方法是给它一个更大的腔，但这会导致激光器发射多个频率而不是一个频率。Khajavikhan表示，这种新型拓扑激光器利用其10×10的环形网格作为多个耦合谐振器，“就像建造一个有多个房间的房子一样”，帮助发射纯单波长光。

当这个阵列边缘的电极电泵入这个栅极时，光环产生波长为1.5微米的激光，这是光纤通信中最常用的波长。环的尺寸和几何结构、环之间的位置以及半导体层的特定厚度和成分有助于确保激光器中的光受到拓扑保护。

拓扑保护有助于激光工作，即使一些环会丢失。该装置的拓扑结构也有助于确保它发射的光几乎是所有所需的波长——一个类似的阵列，环的位置稍有不同，因此拓扑结构不同，发射出由几个不同波长组成的较不纯净的光谱。

“拓扑光子学已经为多个谐振器之间的互连提供了可能，以便实现新的和改进的功能，”Khajavikhan如此表示，“从社交媒体到生物生态系统，连通性在决定网络的功能、成功和恢复能力方面发挥着重要作用。”