Israeliska och tyska forskare har utvecklat ett sätt att tvinga en rad vertikala kavitetslasrar att fungera tillsammans som en enda laser - ett mycket effektivt lasernätverk som är lika stort som ett sandkorn. Resultaten presenteras i ett nytt gemensamt forskningsarbete publicerat online av den prestigefyllda tidskriften Vetenskap på fredag, 24 september.

Mobiltelefoner, bilsensorer eller dataöverföring i fiberoptiska nätverk använder alla så kallade Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL)-halvledarlasrar som är fast förankrade i vår vardagsteknik. Även om det används mycket, VCSEL -enheten har en liten storlek på bara några mikron, som sätter en strikt gräns för uteffekten den kan generera. I åratal, forskare har försökt öka kraften från sådana enheter genom att kombinera många små VCSEL och tvinga dem att fungera som en enda koherent laser, men hade begränsad framgång. Det nuvarande genombrottet använder ett annat schema:det använder ett unikt geometriskt arrangemang av VCSEL på chipet som tvingar flygningen att flöda i en specifik väg - en fotonisk topologisk isolatorplattform.

Från topologiska isolatorer till topologiska lasrar

Topologiska isolatorer är revolutionerande kvantmaterial som isolerar på insidan men leder elektricitet på ytan - utan förlust. Många år sedan, Technion -gruppen som leds av prof. Mordechai Segev har introducerat dessa innovativa idéer i fotonik, och demonstrerade den första fotoniska topologiska isolatorn, där ljuset rör sig runt kanterna på en tvådimensionell uppsättning vågledare utan att påverkas av defekter eller störningar. Detta öppnade ett nytt fält, numera känd som "Topologisk fotonik, "där hundratals grupper för närvarande har aktiv forskning. År 2018, samma grupp hittade också ett sätt att använda egenskaperna hos fotoniska topologiska isolatorer för att tvinga många mikroringlasrar att låsas ihop och fungera som en enda laser. Men det systemet hade fortfarande en stor flaskhals:ljuset cirkulerade i det fotoniska chipet begränsat till samma plan som användes för att extrahera ljuset. Det innebar att hela systemet återigen var föremål för en effektgräns, påtvingad av enheten som används för att få ut ljuset, liknande att ha ett enda uttag för ett helt kraftverk. Det nuvarande genombrottet använder ett annat schema:lasrarna tvingas låsa in i det plana chipet, men ljuset avges nu genom chipets yta från varje liten laser och kan enkelt samlas in.

Omständigheter och deltagare

Detta tysk-israeliska forskningsprojekt har sitt ursprung främst under Corona-pandemin. Utan de involverade forskarnas enorma engagemang, denna vetenskapliga milstolpe hade inte varit möjlig. Forskningen genomfördes av Ph.D. student Alex Dikopoltsev från teamet av den framstående professor Mordechai Segev, av fysikavdelningen och avdelningen för elektroteknik och datorteknik vid Technion — Israel Institute of Technology, och Ph.D. student Tristan H. Harder från teamet av prof. Sebastian Klembt och prof. Sven Höfling vid ordföranden för tillämpad fysik vid universitetet i Würzburg, och Cluster of Excellence ct.qmat - Komplexitet och topologi i kvantämne, i samarbete med forskare från Jena och Oldenburg. Enhetstillverkningen utnyttjade de utmärkta renrumsfaciliteterna vid universitetet i Würzburg.

Den långa vägen till nya topologiska lasrar

"Det är fascinerande att se hur vetenskapen utvecklas, "sade prof. Segev från Technion." Vi gick från grundläggande fysikbegrepp till grundläggande förändringar däri, och nu till verklig teknik som nu drivs av företag. Tillbaka 2015, när vi började arbeta med topologiska isolatorlasrar, ingen trodde att det var möjligt, eftersom de topologiska begreppen som var kända vid den tiden var begränsade till system som inte gör det, i själva verket - kan inte - ha vinst. Men alla lasrar kräver vinst. Så topologiska isolatorlasrar stod emot allt som var känt vid den tiden. Vi var som ett gäng galningar som letade efter något som ansågs omöjligt. Och nu har vi tagit ett stort steg mot verklig teknik som har många tillämpningar. "

Det israeliska och tyska teamet använde begreppen topologisk fotonik med VCSEL som avger ljuset vertikalt, medan den topologiska processen som är ansvarig för ömsesidig koherens och låsning av VCSEL sker i chipets plan. Slutresultatet är en kraftfull men mycket kompakt och effektiv laser, inte begränsad av ett antal VCSEL -sändare, och störs av defekter eller förändrade temperaturer.

"Den topologiska principen för denna laser kan i allmänhet fungera för alla våglängder och därmed en rad olika material, "förklarar den tyska projektledaren prof. Sebastian Klembt vid universitetet i Würzburg, arbetar med ljus-materia interaktion och topologisk fotonik inom ct.qmat Cluster of Excellence. "Exakt hur många mikrolasare som behöver ordnas och anslutas beror alltid helt på applikationen. Vi kan utöka storleken på lasernätverket till en mycket stor storlek, och i princip kommer den att förbli sammanhängande även för stora antal. Det är fantastiskt att se den topologin, ursprungligen en gren av matematik, har framträtt som en revolutionerande ny verktygslåda för kontroll, styrning och förbättring av laseregenskaper. "

Den banbrytande forskningen har visat att det faktiskt är teoretiskt och experimentellt möjligt att kombinera VCSEL för att uppnå en mer robust och högeffektiv laser. Som sådan, resultaten av studien banar väg för tillämpningar av många framtida tekniker som medicinsk utrustning, kommunikation, och en mängd olika verkliga applikationer.