美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團隊研究出了一個新型激光腔，該新型的激光腔將為光電子學(xué)帶來革命性的改變。該激光腔可以形成任意的形狀，并且可以通過磁場改變光的流動方向。

　　美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家BoubacarKante說，“將這項技術(shù)應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域具有令人興奮地前景。”在最新一期《Science》期刊上，Kante和他的同事發(fā)表了這項名為拓撲腔的新技術(shù)。

　　環(huán)形激光腔

　　通常情況下，用于光放大的激光腔的形狀為一個環(huán)。如果它有尖銳的角，那么其中的一些光就會損失掉，激光器也無法正常工作。環(huán)形結(jié)構(gòu)帶來的一個結(jié)果是，如果工程師們想在一個光通信或者光計算芯片上放置許多激光器，在這些環(huán)之間會存在大量浪費的空間。

　　拓撲激光腔

　　Kante所帶領(lǐng)的研究小組創(chuàng)造了一個拓撲激光腔，從而克服了形狀的限制。他們使用銦鎵砷化物建立了量子阱，所謂產(chǎn)生激光的部件。然后他們這些量子阱放在釔鐵石榴石制成的光子晶體中。光子晶體具有與通過它的光波長相同尺寸的晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)就像一面鏡子，將光線引導(dǎo)向需要的方向。

　　研究原理

　　在這樣的情況下，研究人員制造了兩種具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的光子晶體。其中一個具有星形的晶胞（構(gòu)成晶體的基本幾何單元），在正方形的網(wǎng)格中不斷重復(fù)。另一個是三角形的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格中有圓柱形氣孔。Kante將這兩種晶體比喻為百吉餅和椒鹽卷餅——雖然它們從根本上說都是帶有孔的面包，但是不同孔數(shù)意味著它們的形狀具有完全不同。

　　在Kante的理論體系中，一種光子晶體位于另一種不同形狀的光子晶體的內(nèi)部，而兩種晶體的交界面就會形成需要的激光腔。他說：“這個界面可以形成任何你想要的形狀。”

　　研究成果

　　在晶體準備就緒之后，Kante利用磁場將該晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成類似于拓撲絕緣體的光學(xué)結(jié)構(gòu)。拓撲絕緣體的內(nèi)部是絕緣的，只有表面是導(dǎo)電的，其相關(guān)研究獲得了2016年的諾貝爾物理學(xué)獎，但是只有電學(xué)相關(guān)期間。在光子晶體拓撲絕緣體中，光的流動也僅限于晶體表面。將施加的磁場翻轉(zhuǎn)會改變光的發(fā)射方向。

　　研究意義

　　該技術(shù)帶來的直接實際應(yīng)用是使得工程師可以更密集地將激光器封裝到芯片上，從而實現(xiàn)更高速度的光通信。但是在另一方面，一種全新的光控制方法可能最終催生新型的光子器件，為實現(xiàn)比目前計算機更快、更節(jié)能的全光學(xué)計算機鋪平道路。