近年来，拓扑绝缘体由于其拓扑次序的优点，这种大部分体积绝缘但在其边缘导电的材料已成为凝聚态物理学最热门的课题之一。这个概念在光子学中也发现了类似的应用，例如，在材料研究中，某些材料虽然在大部分体积中具有光子带隙，但能够在其材料边缘沿某一方向传输光。

目前，由以色列和美国科学家共同组成的一支研究团队发表的一篇论文中报告了基于拓扑绝缘原理的半导体激光器的设计和演示实验。研究人员认为，他们的研究结果“为开发一类新型的主动拓扑光子器件提供了一条高效和稳健的路线。”

“拓扑保护”

诸如拓扑绝缘体之类的系统拥有一种非常优秀的特征，就是其边缘状态的“拓扑保护”。这意味着拓扑绝缘体的导电边缘对于缺陷和失调将非常有效，例如允许电子沿着材料边缘的某一个方向进行无散射地传导，甚至能够忽视诸如锐角之类的缺陷。

这种稳健的无散射传播在激光系统中将特别有利用价值，其中材料的缺陷会导致低输出耦合、多模传输和传输效率的降低。最近的实验已经证实了在一些光子设备中的拓扑保护行为，但是这些演示一般是在被动的保守系统中进行，而不是在激光系统中。在拓扑保护系统中进行激光发射的实验需要磁场的作用将系统推动到类似拓扑绝缘体的行为，这是在半导体激光器实际应用的需求。

微环晶格

来自以色列理工学院的美国光学学会院士Mordechai Segev、美国中佛罗里达州大学美国光学学会院士Demetrios N.Christodoulides和美国光学学会终身会员Mercedeh Khajavikhan共同领导的一支研究团队，其目前的工作是根据拓扑绝缘体原理将激光建立在无磁的全电介质平台上。为了找到这一问题的答案，他们开始在几种不同的系统架构下进行数字设计和谐振器阵列测试。

其中一种架构使用了一种带有非周期性耦合器的微环谐振器晶格，据研究人员称，这种架构能够使用标准的半导体技术来实现，而无需外部磁场或其他材料。相反，非周期耦合和微环中顺时针和逆时针模式相互作用的结合产生材料本身的人造磁场。对这种架构的数值模拟表明，它能够使高效、单向、单一模式的情况下，即使在引入失调的情况下，也可以在系统边缘进行激光发射。

对于接下来将要进行的实际测试，团队将使用在30nm厚的InGaAsP量子阱平台上制造耦合环形谐振器的2维10×10平方晶格。他们将新架构连接到一个输出耦合波导，然后用1064nm激光器对泵浦阵列的边缘输出10纳秒的激光脉冲，使用红外相机捕获阵列边缘的激光模式结构。

稳定的边缘模式激光

在联合研究团队展示的拓扑绝缘体激光器中，激光绕过了尖锐的角或其他局部的材料缺陷，最终通过输出端口出射。图片来源：美国中佛罗里达大学S.Wittek和以色列理工学院M.A.Bandres。

研究小组发现，阵列边缘的微谐振器环在“拓扑保护的无散射边缘模式”中发出激光，的确类似于拓扑绝缘体中的边缘电流（参见上图）。由此产生的单模激光效率要远远高于研究小组为了比较而设计的非拓扑排序情况。研究人员甚至在边缘架构中引入了一些缺陷，从阵列中去除了两个微环增益元件。他们发现光线能够绕过缺陷，通过快速绕过非活性基体材料，然后继续在材料边缘周围高效传播，这是一个清晰的信号，表明器件中的拓扑保护工作正在进行。

以色列理工学院的Segev在一篇新闻稿中表示，该系统“不符合关于拓扑绝缘体的所有常识”，他指出，如果系统具有增益，其独特的稳健性将被认为是失败的。他表示：“因为所有的激光器都必须具有很好的稳健性，这个演示实验表明，利用拓扑设计原理能够使激光器的效率更高、相关性更好，同时不受各种制造缺陷等影响。”该团队认为，新型激光器可能与传感器、天线和其他光子器件集成，这将为一种新型的有源拓扑光子器件铺垫道路。

来源： https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/february/a_topological-insulator_laser/

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