Science：哈工大在超快调制涡流微激光器上取得新进展

来源：admin 日期：2020-05-24 19:42:43

江苏激光联盟导读：近日，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授团队在超快调制微激光器领域取得重要突破，其提出的全光开关新原理，有望突破超短切换时间与超低能耗之间的矛盾。相关研究以《Ultrafast control of vortex microlasers》为题发表在《Science》上。这一科研成果所带来的优势有望带来高效的超快全光调制，并最终革新全光…

对于超快激光的通讯应用，所有的光学开关均需要低能消耗、高速、强的调制比、小的空间体积和最好都集成在一个芯片上。尽管体积小且全集成的芯片是可以实现的，但在低能消耗和高速运转的平衡之间依然面临着巨大的挑战。曾经有研究者提出一个想法，可以在有效的高质量空穴且不含任何物理上的空穴连续体中的束缚态上设计出高度定向输出和单模运行的涡流微激光器。此时的低能消耗和高速运转之间的平衡可以被打破。此时有可能实现超快光子开关的切换，从而满足现代经典和量子信息应用的需要。

全光开关是一种进行控制光光之间转换的器件，是一种现代光通讯和信息处理的最基本、最重要的组成部分。制造有效、超快、结构紧凑的全光开关被认为是发展下一代光、量子计算的重要步骤。从原理上，光量子并不会在低能线型区域进行直接的相互作用。并且通常需要制造出空穴来进行增强在控制光场时的共振和相互作用。在早期的工作中，全光开关的性能可以通过优化共振来得到增强，如优化微环或光子晶体。为了进一步的增强这一效果，研究就开始遇到瓶颈了——超低能量消耗和超快切换时间之间的平衡遇到挑战。

图1 革新的转换机制大大提高了涡流微激光器的超快调控

准BIC微型激光器的超快控制。（A）两束泵浦光的实验示意图。两个光束在空间d <2R处失谐，在时间上延迟了τ。插图显示了在对称和非对称激发下钙钛矿超表面的远场发射模式。（B）从BIC微型激光器到线性偏振激光器的过渡。I1,2是插入物（A）中标记区域的强度。插图显示了相应的光束轮廓。（C）（B）的逆过程。（D）从环形波束到旁瓣波束的转换，并在几皮秒内返回。红色曲线是过渡时间计算的引导线。

低能消耗通常需要高质量品质因子的振荡器（谐振腔），而更长寿命的高品质的模式反过来就会限制进一步的提高切换速度。一个替代的方案就是采用等离子体纳米结构来打破他们之间的平衡。其插入和传播的消耗高达19dB，这就同时还需要额外的能量来进行放大信号。

激光作用在拓扑优化保护的有界状态的连续体（BICs）有可能最终解决这一长期困扰我们的困境。在《Science》杂志上，来自哈尔滨工业大学（深圳）、澳大利亚国立大学和纽约城市大学的研究者们详细报道了他们在机械切换和拓扑优化保护（BICs）的创新性成果。这一成果提供了涡流微激光器从径向偏振光向线极化波瓣之间相互超快切换的问题。此时BICs的极端的高品质因子可以显著的减少激光阈值，并最终打破传统全光开关切换之间的平衡。