近日，哈工大（深圳）宋清海教授團(tuán)隊(duì)在超快調(diào)制微激光器領(lǐng)域取得重要突破，其提出的全光開(kāi)關(guān)新原理，有望突破超短切換時(shí)間與超低能耗之間的矛盾。相關(guān)研究在2020年2月28日以《Ultrafast control of vortex microlasers》為題發(fā)表在《Science》上。(DOI:10.1126/science.aba4597)

全光開(kāi)關(guān)是光通信、光計(jì)算和量子信息的基礎(chǔ)，利用拓?fù)浔Ｗo(hù)連續(xù)區(qū)域中的束縛態(tài)（BIC）的遠(yuǎn)場(chǎng)特性這一創(chuàng)新方法，有望打破超短切換時(shí)間與超低能耗之間的矛盾。這一優(yōu)勢(shì)有望帶來(lái)高效的超快全光調(diào)制，并最終革新全光計(jì)算領(lǐng)域。

據(jù)了解，全光開(kāi)關(guān)是一種用光來(lái)操控光的設(shè)備，是現(xiàn)代光計(jì)算和信息處理的基石。創(chuàng)造一種高效、超快且緊湊的全光開(kāi)關(guān)已經(jīng)成為下一代光計(jì)算和量子計(jì)算的關(guān)鍵。原理上來(lái)說(shuō)，低能線性狀態(tài)下的光子之間并不會(huì)直接產(chǎn)生相互作用，通常需要引入腔體，使光子在其中產(chǎn)生諧振，從而增強(qiáng)光場(chǎng)以提升光子間的相互作用。在早期的工作中，研究者們已經(jīng)通過(guò)優(yōu)化微環(huán)或光子晶體等諧振器的方法實(shí)現(xiàn)了全光開(kāi)關(guān)性能的迅速提升，然而在進(jìn)一步提升性能的過(guò)程中碰到了瓶頸——超低能耗和超短切換時(shí)間難以達(dá)到一個(gè)令人滿意的平衡。

“低能耗通常需要高品質(zhì)因子的諧振腔，然而更長(zhǎng)壽命的高品質(zhì)因子模式又限制了高速的開(kāi)關(guān)，”宋清海教授談到：“近期，有一種利用等離子體納米結(jié)構(gòu)的替代方法有望打破這一兩難局面，但其引入和傳播損耗高達(dá)19dB，需要附加的功耗用于信號(hào)放大。”

而拓?fù)浔Ｗo(hù)的BIC的激光特性有望最終解決這一長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。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)的研究者于《Science》上詳細(xì)刊登了拓?fù)浔Ｗo(hù)BIC的光開(kāi)關(guān)機(jī)理，保證了微型激光從徑向極化的環(huán)形光束到線性極化的旁瓣光的相互超快切換。BIC的極高品質(zhì)因子能顯著降低激光閾值，從而突破傳統(tǒng)全光開(kāi)關(guān)的瓶頸。

基于現(xiàn)有成果，該項(xiàng)研究的下一步是將該可切換的微型激光串聯(lián)集成到光子芯片上以實(shí)現(xiàn)光學(xué)邏輯計(jì)算的功能。這也是實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)——光計(jì)算和量子計(jì)算的前提。

該論文第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）博士研究生黃燦，第一完成單位為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、紐約城市大學(xué)、和澳大利亞國(guó)立大學(xué)合作完成，通訊作者是宋清海教授、Yuri Kivshar教授和葛力教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、深圳市科創(chuàng)委、可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微納光電信息系統(tǒng)理論與技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

圖1：準(zhǔn)BIC微型激光器的超快控制。

（A）兩束泵浦光的實(shí)驗(yàn)示意圖。兩個(gè)光束在空間d <2R處失諧，在時(shí)間上延遲了τ。

插圖顯示了在對(duì)稱和非對(duì)稱激發(fā)下鈣鈦礦超表面的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射模式。

（B）從BIC微型激光器到線性偏振激光器的過(guò)渡。 I1,2是插入物（A）中標(biāo)記區(qū)域的強(qiáng)度。 插圖顯示了相應(yīng)的光束輪廓。 

（C）（B）的逆過(guò)程。 （D）從環(huán)形波束到旁瓣波束的轉(zhuǎn)換，并在幾皮秒內(nèi)返回。紅色曲線是過(guò)渡時(shí)間計(jì)算的引導(dǎo)線。

新聞鏈接：http://news.hit.edu.cn/2020/0228/c416a218065/page.htm

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