拓?fù)浣^緣體是革命性的量子材料，內(nèi)部絕緣，但表面導(dǎo)電，與此同時(shí)不產(chǎn)生損耗。幾年前，由Mordechai Segev教授領(lǐng)導(dǎo)的技術(shù)小組將這些創(chuàng)新思想引入光子學(xué)，并展示了第一個(gè)光子拓?fù)浣^緣體，光在二維波導(dǎo)陣列的邊緣傳播，不受缺陷或無(wú)序的影響。這開啟了一個(gè)新的領(lǐng)域——“拓?fù)涔庾訉W(xué)”，目前有數(shù)百個(gè)小組在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行積極的研究。2018年，同一小組還找到了一種方法，利用光子拓?fù)浣^緣體的特性，迫使許多微環(huán)激光器鎖定在一起，充當(dāng)單個(gè)激光器。但是該系統(tǒng)仍存在一個(gè)瓶頸——光在同一平面提取光的光子芯片中不斷循環(huán)。這意味著整個(gè)系統(tǒng)再次受到發(fā)光設(shè)備的功率限制。

2018年該團(tuán)隊(duì)的拓?fù)浣^緣體激光器

該團(tuán)隊(duì)此次突破使用了一種新方案，使激光被強(qiáng)制鎖定在平面芯片內(nèi)，與此同時(shí)光通過(guò)芯片表面從每個(gè)微小的激光器發(fā)射，并且可以很容易地被收集。

通向新型拓?fù)浼す馄鞯穆�漫長(zhǎng)路 

作為該研究發(fā)現(xiàn)的探索者、促進(jìn)者，Segev教授激動(dòng)地說(shuō)：“科學(xué)探索是如何進(jìn)化的、科研是如何步步推進(jìn)的，這些都十分有趣。我們從基礎(chǔ)物理概念到其中的基礎(chǔ)變化，現(xiàn)在又到了公司追求的真正可商業(yè)化技術(shù)。早在2015年，我們即開始研究拓?fù)浣^緣體激光器，彼時(shí)沒(méi)有人相信這是可能的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已知的拓?fù)涓拍顑H限于實(shí)際上沒(méi)有增益的系統(tǒng)。但是所有的激光器都需要增益。所以拓?fù)浣^緣體激光器在當(dāng)時(shí)看來(lái)如天方夜譚。我們那時(shí)候的探索可能在大家看來(lái)跟瘋子差不多。而現(xiàn)在，我們已經(jīng)朝著擁有眾多應(yīng)用的真正技術(shù)邁出了一大步。” 

該以色列和德國(guó)團(tuán)隊(duì)利用垂直發(fā)射光的垂直腔面發(fā)射激光器和拓?fù)涔庾訉W(xué)概念，負(fù)責(zé)垂直腔面發(fā)射激光器相互間相干和鎖定的拓?fù)湟话惆l(fā)生在芯片平面。最終形成一個(gè)強(qiáng)大但非常緊湊和高效的激光器，不受垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射器的限制，也不受缺陷或溫度變化的干擾。

垂直發(fā)射激光器拓?fù)潢嚵械乃囆g(shù)圖。沿著拓?fù)浣缑?藍(lán)色)的30個(gè)微激光器作為一個(gè)整體，共同發(fā)射相干激光(紅色)

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一的Sebastian Klembt教授解釋說(shuō)：“這種激光器的拓?fù)湓�理通�？梢赃m用于所有波長(zhǎng)，從而適用于一系列材料。需要布置和連接的微型激光器確切數(shù)量取決于其應(yīng)用。我們可以將激光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大到一個(gè)非常大的規(guī)模，原則上它也將保持大量的相干性。拓?fù)鋵W(xué)（最初是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支）已經(jīng)成為一個(gè)革命性的新工具，用于控制、操縱和優(yōu)化激光特性。"

這一創(chuàng)新性研究表明，理論和實(shí)驗(yàn)研究中都可將垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)合起來(lái)，以提高魯棒性、實(shí)現(xiàn)更高效的激光器。因此，這項(xiàng)研究結(jié)果為許多未來(lái)技術(shù)的應(yīng)用鋪平了道路，如醫(yī)療設(shè)備、通信和各種現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。

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