以色列和德国的研究人员已经开发出一种方法，可以迫使一系列垂直腔激光器一起作为单个激光器发挥作用——一种沙粒大小的高效激光网络。该研究结果发表在《科学》杂志在线发表的一篇新的联合研究论文中（“Topological insulator vertical-cavity laser array”）。

手机、汽车传感器或光纤网络中的数据传输都在使用所谓的垂直腔面发射激光器 (VCSEL)——半导体激光器已牢牢固定在我们的日常技术中。尽管应用广泛，但 VCSEL 设备的尺寸很小，只有几微米，这对其可以产生的输出功率设置了严格的限制。

多年来，科学家们一直试图通过组合许多微型 VCSEL 并迫使它们充当单个相干激光器来提高此类设备发射的功率，但收效甚微。目前的突破使用了不同的方案：它在芯片上采用了独特的 VCSEL 几何排列，迫使飞行沿特定路径流动——光子拓扑绝缘体平台。

从拓扑绝缘体到拓扑激光器

拓扑绝缘体是革命性的量子材料，内部绝缘但表面导电 - 没有损耗。几年前，由 Mordechai Segev 教授领导的 Technion 小组将这些创新理念引入光子学，并展示了第一个光子拓扑绝缘体，其中光在二维波导阵列的边缘传播而不受缺陷或无序的影响.

这开辟了一个新领域，现在被称为“拓扑光子学”，目前有数百个团体在积极开展研究。2018 年，同一个小组还找到了一种方法，利用光子拓扑绝缘体的特性，迫使许多微环激光器锁定在一起，充当单个激光器。但该系统仍然存在一个主要瓶颈：光在光子芯片中循环，光子芯片被限制在用于提取光的同一平面上。

这意味着整个系统再次受到用于熄灭灯的设备施加的功率限制，类似于整个发电厂的单个插座。目前的突破使用了不同的方案：激光被强制锁定在平面芯片内，但现在每个微小的激光都通过芯片表面发射光，并且可以很容易地收集。

情况和参与者

这个德国-以色列研究项目主要起源于电晕大流行期间。如果没有相关研究人员的巨大承诺，这一科学里程碑是不可能实现的。该研究由以色列理工学院物理系和电气与计算机工程系的杰出教授 Mordechai Segev 的博士生 Alex Dikopoltsev 和教授团队的博士生 Tristan H. Harder 进行。 . Sebastian Klembt 和 Sven Höfling 教授在维尔茨堡大学应用物理主席，以及卓越集群 ct.qmat - 量子物质的复杂性和拓扑，与耶拿和奥尔登堡的研究人员合作。

通往新型拓扑激光器的漫漫长路

以色列理工学院的 Segev 教授说，看到科学如何发展令人着迷。我们从基本的物理概念到其中的基础性变化，现在到公司正在追求的真正技术。早在 2015 年，当我们开始研究拓扑绝缘体激光器时，没人相信这是可能的，因为当时已知的拓扑概念仅限于实际上没有——不可能——有增益的系统。但所有激光器都需要增益。因此，拓扑绝缘体激光器与当时已知的一切背道而驰。我们就像一群疯子在寻找被认为不可能的事情。现在我们已经朝着具有许多应用的真正技术迈出了一大步。

以色列和德国团队将拓扑光子学的概念与垂直发光的 VCSEL 一起使用，而负责 VCSEL 相互相干和锁定的拓扑过程发生在芯片平面上。最终结果是一个强大但非常紧凑和高效的激光器，不受多个 VCSEL 发射器的限制，并且不受缺陷或温度变化的干扰。

这种激光器的拓扑原理通常适用于所有波长，因此适用于一系列材料，德国维尔茨堡大学的 Sebastian Klembt 教授解释说，他在 ct.qmat 集群内研究光-物质相互作用和拓扑光子学卓越。究竟需要布置和连接多少个微型激光器始终完全取决于应用程序。我们可以将激光网络的大小扩展到非常大的大小，并且原则上它也将在大量的情况下保持连贯。这是很棒的看看拓扑学，最初是数学的一个分支，已经成为控制、操纵和改善激光特性的革命性新工具箱。

开创性的研究表明，事实上，结合 VCSEL 来实现更强大和更高效的激光器在理论上和实验上都是可能的。因此，研究结果为医疗设备、通信和各种实际应用等众多未来技术的应用铺平了道路。