Понятно, что новый тип устройства, называемый топологическим лазером, может излучать свет более эффективно, чем традиционные лазеры. Теперь ученые создали первый топологический лазер с электрическим приводом, работающий при комнатной температуре, который можно использовать в сфере телекоммуникаций.
Топология — это раздел математики, изучающий, какие аспекты формы могут выдержать деформацию. Например, объект в форме кольца может деформироваться в форму чашки, а отверстие в кольце образует отверстие в ручке чашки. Однако этот объект нельзя преобразовать в принципиально иную, непористую форму.
Используя перспективу топологии, исследователи разработали первый электронный топологический изолятор в 2007 году. Этот изолятор имеет внутреннюю изоляцию и внешнюю проводимость. Электроны, движущиеся по краям или поверхностям этих материалов, сильно сопротивляются любым помехам, которые могут изменить их поток, и называются «топологически защищенными».
Затем ученые разработали фотонные топологические изоляторы, в которых свет также защищен. Эти материалы имеют регулярные изменения в структуре, так что свет с определенной длиной волны течет по их внешней стороне, и нет рассеяния или потерь даже на углах и дефектах.
Следующим шагом является разработка лазеров с топологической защитой. Этот тип топологического лазера может эффективно производить свет только с одной желаемой длиной волны, вместо того, чтобы тратить энергию на создание нежелательных длин волн. Кроме того, «они не очень чувствительны к дефектам, которые могут возникнуть во время изготовления или эксплуатации», а это значит, что даже если у них есть дефекты, они будут излучать такой чистый свет, — говорит Мерседе Хаджавихан, физик из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. Анджелес. Таким образом, топологические лазеры могут обеспечить более высокую производительность и более высокую производительность в производственном процессе.
Однако лазеры первой топологии требуют внешнего лазера для возбуждения их работы, что ограничивает практическое применение. Недавно ученые разработали топологические лазеры с электрическим приводом, но для этих лазеров требуется низкая температура -264 градусов, что также ограничивает их применение.
Ведущий автор исследования Чжэ-Хьюк Чой из Университета Южной Калифорнии в Хаджавихане и другие коллеги разработали первый топологический лазер с электрической накачкой и комнатной температурой. Они подробно описали свои выводы в выпуске журнала Nature Communications от 8 июня.
Новое устройство состоит из кольцевой сети 10×10, каждое кольцо имеет ширину 30 микрон. Эти кольца соединены друг с другом небольшими прямоугольными кольцами шириной около 5 мкм. Все эти кольца представляют собой многослойные структуры, состоящие из многослойных полупроводников, таких как арсенид индия-галлия, фосфид индия и арсенид индия-галлия-индия.
Традиционный лазер имеет только один резонатор, в котором накапливается световая энергия, поэтому он может генерировать лазерный свет. Один из способов увеличить выходную мощность лазера — увеличить его полость, но это приведет к тому, что лазер будет излучать несколько частот вместо одной. Хаджавихан сказал, что этот лазер с новой топологией использует свою кольцевую сетку 10 × 10 в качестве нескольких связанных резонаторов, «точно так же, как строительство дома с несколькими комнатами», чтобы помочь излучать чистый свет с одной длиной волны.
Когда электроды на краю массива электрически накачиваются в сетку, гало излучает лазерный свет с длиной волны 1,5 микрона, которая является наиболее часто используемой длиной волны в оптоволоконной связи. Размер и геометрия колец, расположение между кольцами, определенная толщина и состав полупроводниковых слоев помогают обеспечить топологическую защиту света в лазере.
Топологическая защита помогает лазеру работать, даже если некоторые кольца будут потеряны. Топология устройства также помогает добиться того, чтобы излучаемый им свет имел почти все требуемые длины волн — аналогичная матрица, расположение кольца немного отличается, поэтому топология другая, и он излучает меньше света, состоящего из нескольких разных длин волн. . Чистый спектр.
«Топологическая фотоника позволила взаимосвязи нескольких резонаторов реализовать новые и улучшенные функции», — сказал Хаджавихан. «От социальных сетей до биологических экосистем подключение определяет сетевые функции, играет важную роль в успехе и устойчивости».
