Forskare har visat det första laserhålrummet som kan begränsa och sprida ljus i alla tänkbara former, jämna vägar med skarpa kurvor och vinklar. Det nya hålrummet, kallas en topologisk hålighet, skulle kunna göra det möjligt för laserkomponenter att packas tätare på ett chip, leder till optisk kommunikationsteknik med högre hastighet som kan tillverkas på ett effektivt och skalbart sätt med hjälp av fotoniska integrationstekniker.

Denna uppsats kommer att publiceras online av tidningen Vetenskap på torsdag, 12 oktober, 2017.

"Vårt mål är att övervinna de grundläggande begränsningarna för optiska enheter och avslöja nya fysiska principer som kan möjliggöra det som man tidigare trodde var omöjligt, sa Boubacar Kanté, en professor i el- och datateknik vid UC San Diego och studiens seniorförfattare.

I de flesta konventionella lasrar, laserhålan måste ha en regelbunden böjd form, vanligtvis en ring, för ljusvågor att sprida sig och stanna i hålrummet. Om hålrummet har en skarp sväng, en del av det ljuset sprids och går förlorat. Det här är varför, till exempel, optiska fibrer kan inte ha några böjningar eller böjningar.

"När du ändrar formen på hålrummet, du ändrar hur ljuset är begränsat i det hålrummet, "sa Babak Bahari, en elteknik Ph.D. student vid UC San Diego och den första författaren till tidningen.

Att inte kunna ändra kavitetsformen begränsar också hur många komponenter som kan integreras i ett fotoniskt chip. "Om vi ​​kan deformera hålighetens form, vi kan enkelt passa den i vilket område som helst på ett chip utan att störa eller flytta andra komponenter. Detta skulle ge oss mer frihet att designa chipkomponenter och göra tätare, kraftfullare enheter, "Sa Kanté.

Nu, Kanté, Bahari och kollegor har introducerat ett sätt att göra laserkaviteter med godtyckliga former utan att ändra deras egenskaper.

De skapade en struktur bestående av två fotoniska kristaller, den ena som omger den andra. Kristallen på insidan är odlad av samma material som kristallen som omger den, men de är vad som kallas topologiskt olika – de kan beskrivas som att de har olika antal hål, som en bagel (ett hål) kontra en kringla (tre hål). Kristallerna uppvisar också en egenskap där de båda kan leda samma våglängd av ljus på utsidan medan de fungerar som isolatorer på insidan. Genom att sätta ihop dessa kristaller, forskare skapade ett hålrum där ljusvågor kan sprida sig vid gränssnittet mellan kristallerna.

Forskarna kallar detta en topologisk hålighet. Det är inte ett utrymme, men gränsen där två topologiskt olika material möts, Kanté påpekade. Denna hålighet kan ha vilken form som helst - triangel, fyrkant, en slinga med ojämna kanter - och ljus kan cirkulera inom den formen utan att bli spridd.

För att demonstrera deras lasers förmåga, forskare kopplade först en vågledare till hålrummet. Därefter energiserade de kristallerna med ljus från en högeffektlaser och applicerade ett magnetfält. Med en infraröd kamera, de observerade deras enhet som avger en lägre frekvens laserstråle vid 1,55 mikrometer, en vanlig våglängd för telekommunikation.

En annan anmärkningsvärd egenskap är att denna enhet har ett icke-ömsesidigt lasningsläge, vilket betyder att laserstrålen bara kan färdas ett sätt. Detta är inte fallet med de flesta befintliga lasrar, som behöver en enhet som kallas en isolator för att placeras framför källan och förhindra att laserstrålen kommer tillbaka och potentiellt förstör hålrummet. Isolatorer är vanligtvis stora enheter och det nya arbetet kan således eliminera behovet av dem i framtiden, sa Kanté.

"Denna nya funktion gör att vi kan göra en laser som är självskyddad, sa Bahari.

Går vidare, teamet hoppas kunna skapa en eldriven enhet, vilket skulle göra det mer praktiskt. Kanté planerar också att ytterligare utforska topologiska hålrums grundläggande fysik. Han är särskilt intresserad av att undersöka hur tätt sådana hålrum kan packas på ett chip. Dessa studier kan vara viktiga för kvantinformationsbehandling och kan övervinna grundläggande effektivitetsgränser för nuvarande system, han sa.