新加坡合作英国研发首个电驱动拓补激光器 可提升激光系统性能

盖世汽车讯 据外媒报道，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）与英国利兹大学（University of Leeds）的科学家和工程师们打造了首个电力驱动的拓补激光器，该激光器能够使光粒子绕开拐角，并且解决激光器设备制造过程中遇到的缺陷问题。

电驱动半导体激光器是如今最常见的激光器件，被用于条形码阅读器和激光打印机等产品、光纤通信行业以及自动驾驶汽车激光测距传感器等新兴应用。不过，制造此类激光器是一个严格的过程，如果在生产中激光结构中出现了任何缺陷，激光器就会无法很好地工作。

新加坡和英国科学家们表示，其研究克服了这一长期存在的问题，而且利用现有的半导体技术可以更高效地生产此类激光器，生产过程中造成的浪费也更少。他们利用了理论物理学中的拓补状态概念来制造拓补激光器。

在20世纪80年代，科学家们发现，某些材料中流动的电子具有拓补特征，意味着可以绕着角落或者缺陷流动，而不会散射或泄露出来。现在，新加坡南洋理工大学的工程师和物理学家组成的跨学科团队与英国利兹大学的材料科学家合作，将拓补方法应用于光粒子，即光子。

新加坡南洋理工大学电子电气工程学院首席科学家Qi Jie Wang表示：“每一批制造出来的激光设备都有一部分由于在制造过程中有了缺陷，而导致无法发射激光，这也是我们探索光的拓补状态的动机之一，因为光的拓补状态比普通光波强大得多。”

在目前的研究中，研究人员采用了一种被称为量子级联激光器的电驱动激光器，此种激光器基于利兹大学研发的先进半导体晶圆制成。

利兹大学工程与物理科学学院研究与创新中心前任主任Giles Davies FREng教授表示：“拓补激光器就是将基础科学现象应用于实际电子设备中的一个很好的例子，我们的研究也表明，该现象有能力可以提高激光系统的性能。”

为了在激光器平台上实现拓补状态，新加坡南洋理工大学与利兹大学团队研发了一种包含谷光子晶体的激光器，其设计灵感来自于被称为二维valleytronic（“谷”和“电子”的组合，在半导体的电子能带结构中使用局部能量最小值为谷）绝缘体的电子拓补材料。

该设计将六边形的空洞排列在三角形的晶格中，蚀刻在半导体晶圆上，使其非常紧凑。在该微观结构中，光的拓补结构在一个周长为1.2毫米的三角形回路中传播，充当一个光学谐振器，以积累形成激光束所需的光能。

新加坡南洋理工大学理论物理学家兼该研究的联合首席研究员Yi Dong Chong副教授表示：“光能够在此回路中传播，包括绕着三角形的尖角传播，是由于拓补结构的特殊特性，而普通的光波会被尖角打断，无法顺畅地传播。”

研究人员们指出，此种新型拓补量子级联激光器的一个有趣特性是，发出的光的频率是太赫兹，介于电磁波谱和红外区域之间。而太赫兹光被认为将主要用于未来传感器、照明和无线通用技术应用。

未来，该联合小组还将研究利用其他类型拓补状态的激光器。

Wang教授表示：“我们在该项目中利用的设计称为谷光子晶体，不是唯一一种创造拓补状态的方法。还有很多不同种类的拓补状态，能够针对不同类型的缺陷提供保护。我们认为，有可能可以根据不同设备和应用的需求来定制设计。”

2018年，以色列理工学院（Technion）与美国中佛罗里达大学（the University of Central Florida）也合作研发了一种拓补激光器，该激光器由一组互相连接的光学谐振器制成。研究人员表示，光的拓补状态可以有效地让其在激光阵列的角落和缺陷周围传播。不过，此种激光器原型的缺点是比大多数的半导体激光器大得多，而且要由光学驱动，意味着需要由另一个激光器驱动。（文中图片均来自新加坡南洋理工大学）