全光開關(guān)是一種用光控制光的設(shè)備，這是現(xiàn)代光通信和信息處理的基本組成部分。創(chuàng)建高效，超快速和緊湊的全光開關(guān)已被認(rèn)為是下一代光學(xué)和量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵步驟。原則上，光子在低功率線性狀態(tài)下不會(huì)彼此直接相互作用，通常需要一個(gè)腔來(lái)共振地增強(qiáng)控制光的場(chǎng)并增加相互作用。在早期工作中，通過(guò)優(yōu)化諧振器（例如微環(huán)或光子晶體），快速改善了全光開關(guān)的性能。為了進(jìn)一步改進(jìn)，研究領(lǐng)域達(dá)到了極限，即在超低能耗和超短開關(guān)時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。

中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋慶海說(shuō)：“低能耗通常需要諧振器的高Q因子，而壽命更長(zhǎng)的高Q模式則對(duì)提高開關(guān)速度構(gòu)成了障礙。最近已開發(fā)出一種具有等離子體納米結(jié)構(gòu)的替代方法來(lái)打破這種折中。插入和傳播損耗高達(dá)19 dB，并且需要額外的功耗來(lái)放大信號(hào)?！?/span>

連續(xù)體中受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界狀態(tài)的激射行為有可能最終解決這一長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。在《Science》雜志上，來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)，澳大利亞國(guó)立大學(xué)和紐約城市大學(xué)的研究人員詳細(xì)介紹了他們?cè)谶B續(xù)體（BIC）中受拓?fù)浔Ｗo(hù)的有界狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)制的創(chuàng)新，這種轉(zhuǎn)換機(jī)制可實(shí)現(xiàn)從徑向向微激光發(fā)射的超快轉(zhuǎn)變。偏振的甜甜圈光束變成線性偏振的波瓣，反之亦然。BIC的極高Q因子可以大大降低激光閾值，并最終打破傳統(tǒng)全光開關(guān)的上述折中方案。

這項(xiàng)研究的下一步是將多個(gè)此類可切換微激光器與級(jí)聯(lián)方式集成到集成的光子芯片中，并執(zhí)行光學(xué)邏輯操作。這是最終目標(biāo)（光學(xué)或量子計(jì)算）的前提。

常規(guī)的超快全光開關(guān)利用非線性折射率或非線性吸收來(lái)產(chǎn)生光學(xué)位。這樣的技術(shù)需要高激發(fā)通量以產(chǎn)生波長(zhǎng)偏移，或者需要額外的損耗來(lái)調(diào)制傳輸，仍然受到權(quán)衡的限制。

研究人員用BIC的光學(xué)特性解決了這個(gè)問(wèn)題，該問(wèn)題最初是由馮·諾依曼（Von Neumann）和威格納（Wigner）在量子力學(xué)中提出的，并且最近在光學(xué)領(lǐng)域得到了重新研究。盡管偶然的BIC由于其堅(jiān)固性而引起了大多數(shù)研究關(guān)注，但本研究的重點(diǎn)是對(duì)稱保護(hù)的BIC的激光發(fā)射。與意外BIC相比，后者對(duì)破壞對(duì)稱的擾動(dòng)極為敏感。對(duì)應(yīng)于折射率虛部（n“）的激光系統(tǒng)的超常增益可以成為超快控制對(duì)稱性以及BIC處與對(duì)稱性相關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)激光發(fā)射的新有效參數(shù)。

為了驗(yàn)證這一概念，研究人員在MAPbBr 3鈣鈦礦薄膜中制造了方晶格周期納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行光泵浦。在對(duì)稱保護(hù)的BIC上實(shí)現(xiàn)了單模激光操作。輸出激光束是垂直方向的甜甜圈束，發(fā)散角為2o。偏振測(cè)試和自干涉圖案顯示發(fā)射激光束被軌道角動(dòng)量（OAM）徑向偏振。

Song說(shuō)：“使用OAM定向發(fā)射激光不足為奇?！?“它已經(jīng)由加州大學(xué)伯克利分校的B. Kante觀察到并進(jìn)行了解釋。它與BIC處的偏振渦旋和實(shí)際樣品引起的橫向自旋角動(dòng)量有關(guān)。它也可以通過(guò)圓偏振光激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 BIC微型激光器在全光交換方面更具吸引力。”

研究人員表明，泵浦曲線可以有效地控制BIC激光器。通過(guò)部分增加第二束光的光學(xué)增益，破壞了四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，BIC激光器退化為傳統(tǒng)的光子晶體激光器。結(jié)果，甜甜圈光束過(guò)渡到兩個(gè)線性偏振波瓣。這種轉(zhuǎn)換及其反轉(zhuǎn)發(fā)生在1-1.5 ps的時(shí)間內(nèi)。還可以在2-3 ps內(nèi)實(shí)現(xiàn)從甜甜圈到兩個(gè)瓣的完整過(guò)渡，再回到甜甜圈。這樣的切換時(shí)間比BIC微激光器的壽命快一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這清楚地證明了激光器壽命對(duì)切換時(shí)間的限制已被打破。

宋說(shuō)：“這種超快速的控制歸因于BIC的遠(yuǎn)場(chǎng)特性?！?“ BIC是由輻射通道上的相消干涉形成的。考慮到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，從BIC微激光器到傳統(tǒng)激光器的過(guò)渡代表了激光發(fā)射的重新分布，而不是直接打開/關(guān)閉激光模式?！?/span>

激光閾值約為4.2 mW / cm 2，每位能耗類似于當(dāng)前的全光開關(guān)。宋說(shuō)：“這是因?yàn)槲覀兊拟}鈦礦納米結(jié)構(gòu)的質(zhì)量低下，而BIC的超高Q因子尚未得到充分利用?！?最終，利用BIC可以進(jìn)一步將閾值降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并打破了全光開關(guān)的所有局限性?！?/span>

所證明的機(jī)理不受光激發(fā)的限制。具有超快切換的電驅(qū)動(dòng)BIC微激光器也是可能的，并且這種超快可切換BIC激光器的級(jí)聯(lián)片上集成對(duì)于光學(xué)和量子計(jì)算也是必不可少的。

這項(xiàng)研究于2020年2月28日發(fā)表在《Science》雜志上，文章標(biāo)題為《Ultrafast control of vortex microlasers》。