Israëlische en Duitse onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om een ​​reeks verticale holtelasers te dwingen samen te werken als een enkele laser - een zeer effectief lasernetwerk ter grootte van een zandkorrel. De bevindingen worden gepresenteerd in een nieuw gezamenlijk onderzoekspaper dat online is gepubliceerd door het prestigieuze tijdschrift Wetenschap op vrijdag, 24 sept.

Telefoons, autosensoren of datatransmissie in glasvezelnetwerken maken allemaal gebruik van zogenaamde Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL's), halfgeleiderlasers die stevig verankerd zijn in onze dagelijkse technologie. Hoewel veel gebruikt, het VCSEL-apparaat heeft een minuscuul formaat van slechts enkele microns, die een strikte limiet stelt aan het uitgangsvermogen dat het kan genereren. Voor jaren, wetenschappers hebben geprobeerd het vermogen van dergelijke apparaten te vergroten door veel kleine VCSEL's te combineren en ze te dwingen als een enkele coherente laser te werken, maar had beperkt succes. De huidige doorbraak gebruikt een ander schema:het maakt gebruik van een unieke geometrische rangschikking van VCSEL's op de chip die de vlucht dwingt in een specifiek pad te stromen - een fotonisch topologisch isolatorplatform.

Van topologische isolatoren tot topologische lasers

Topologische isolatoren zijn revolutionaire kwantummaterialen die aan de binnenkant isoleren maar elektriciteit geleiden op hun oppervlak - zonder verlies. Een aantal jaar geleden, de Technion-groep onder leiding van prof. Mordechai Segev heeft deze innovatieve ideeën in de fotonica geïntroduceerd, en demonstreerde de eerste fotonische topologische isolator, waar licht langs de randen van een tweedimensionale reeks golfgeleiders reist zonder te worden beïnvloed door defecten of wanorde. Dit opende een nieuw veld, nu bekend als "Topologische Fotonica, " waar honderden groepen momenteel actief onderzoek hebben. In 2018, dezelfde groep vond ook een manier om de eigenschappen van fotonische topologische isolatoren te gebruiken om veel microringlasers te dwingen aan elkaar te vergrendelen en als een enkele laser te werken. Maar dat systeem had nog steeds een groot knelpunt:het licht circuleerde in de fotonische chip die beperkt was tot hetzelfde vlak dat werd gebruikt om het licht naar buiten te halen. Dat betekende dat het hele systeem weer onderworpen was aan een vermogenslimiet, opgelegd door het apparaat dat wordt gebruikt om het licht uit te doen, vergelijkbaar met het hebben van een enkel stopcontact voor een hele elektriciteitscentrale. De huidige doorbraak gebruikt een ander schema:de lasers worden gedwongen te vergrendelen in de vlakke chip, maar het licht wordt nu door het oppervlak van de chip uitgezonden door elke kleine laser en kan gemakkelijk worden opgevangen.

Omstandigheden en deelnemers

Dit Duits-Israëlische onderzoeksproject is voornamelijk ontstaan ​​tijdens de Corona-pandemie. Zonder de enorme inzet van de betrokken onderzoekers, deze wetenschappelijke mijlpaal zou niet mogelijk zijn geweest. Het onderzoek werd uitgevoerd door Ph.D. student Alex Dikopoltsev van het team van Distinguished Professor Mordechai Segev, van de afdeling Natuurkunde en de afdeling Electrical &Computer Engineering van het Technion-Israel Institute of Technology, en Ph.D. student Tristan H. Harder van het team van Prof. Sebastian Klembt en Prof. Sven Höfling op de leerstoel Toegepaste Natuurkunde aan de Universiteit van Würzburg, en de Cluster of Excellence ct.qmat - Complexiteit en topologie in kwantummaterie, in samenwerking met onderzoekers uit Jena en Oldenburg. Bij de fabricage van het apparaat werd gebruik gemaakt van de uitstekende cleanroomfaciliteiten van de universiteit van Würzburg.

De lange weg naar nieuwe topologische lasers

"Het is fascinerend om te zien hoe de wetenschap evolueert, " zei Prof. Segev van het Technion. "We gingen van fundamentele natuurkundige concepten naar fundamentele veranderingen daarin, en nu naar echte technologie die nu door bedrijven wordt nagestreefd. Terug in 2015, toen we begonnen te werken aan topologische isolatorlasers, niemand geloofde dat het mogelijk was, omdat de op dat moment bekende topologische concepten beperkt waren tot systemen die dat niet doen, in feite - kan niet - winst hebben. Maar alle lasers hebben versterking nodig. Dus topologische isolatorlasers stonden tegen alles wat toen bekend was. We waren als een stel gekken op zoek naar iets dat als onmogelijk werd beschouwd. En nu hebben we een grote stap gezet richting echte technologie die veel toepassingen kent.”

Het Israëlische en Duitse team gebruikte de concepten van topologische fotonica met VCSEL's die het licht verticaal uitstralen, terwijl het topologische proces dat verantwoordelijk is voor de onderlinge samenhang en vergrendeling van de VCSEL's plaatsvindt in het vlak van de chip. Het eindresultaat is een krachtige maar zeer compacte en efficiënte laser, niet beperkt door een aantal VCSEL-zenders, en ongestoord door defecten of wisselende temperaturen.

"Het topologische principe van deze laser kan over het algemeen werken voor alle golflengten en dus voor een reeks materialen, " legt de Duitse projectleider Prof. Sebastian Klembt van de Universiteit van Würzburg uit, werken aan licht-materie interactie en topologische fotonica binnen het ct.qmat Cluster of Excellence. "Hoeveel microlasers er precies moeten worden opgesteld en aangesloten, hangt altijd volledig af van de toepassing. We kunnen de omvang van het lasernetwerk uitbreiden tot een zeer groot formaat, en in principe zal het ook voor grote aantallen coherent blijven. Het is geweldig om die topologie te zien, oorspronkelijk een tak van de wiskunde, ontpopt als een revolutionaire nieuwe toolbox voor het controleren, sturen en verbeteren van lasereigenschappen."

Het baanbrekende onderzoek heeft aangetoond dat het theoretisch en experimenteel mogelijk is om VCSEL's te combineren tot een robuustere en zeer efficiënte laser. Als zodanig, de resultaten van de studie effenen de weg naar toepassingen van tal van toekomstige technologieën zoals medische hulpmiddelen, communicatie, en een verscheidenheid aan real-world toepassingen.