全光開關是一種用光控制光的設備，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已被認為是下一代光學和量子計算發(fā)展的關鍵步驟。原則上，光子在低功率線性狀態(tài)下不會彼此直接相互作用，通常需要一個腔來共振地增強控制光的場并增加相互作用。在早期工作中，通過優(yōu)化諧振器（例如微環(huán)或光子晶體），快速改善了全光開關的性能。為了進一步改進，研究領域達到了極限，即在超低能耗和超短開關時間之間進行權衡。

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

連續(xù)體中受拓撲保護的邊界狀態(tài)的激射行為有可能最終解決這一長期挑戰(zhàn)。在《Science》雜志上，來自哈爾濱工業(yè)大學，澳大利亞國立大學和紐約城市大學的研究人員詳細介紹了他們在連續(xù)體（BIC）中受拓撲保護的有界狀態(tài)的轉換機制的創(chuàng)新，這種轉換機制可實現(xiàn)從徑向向微激光發(fā)射的超快轉變。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)全光開關的上述折中方案。

這項研究的下一步是將多個此類可切換微激光器與級聯(lián)方式集成到集成的光子芯片中，并執(zhí)行光學邏輯操作。這是最終目標（光學或量子計算）的前提。

常規(guī)的超快全光開關利用非線性折射率或非線性吸收來產(chǎn)生光學位。這樣的技術需要高激發(fā)通量以產(chǎn)生波長偏移，或者需要額外的損耗來調制傳輸，仍然受到權衡的限制。

研究人員用BIC的光學特性解決了這個問題，該問題最初是由馮·諾依曼（Von Neumann）和威格納（Wigner）在量子力學中提出的，并且最近在光學領域得到了重新研究。盡管偶然的BIC由于其堅固性而引起了大多數(shù)研究關注，但本研究的重點是對稱保護的BIC的激光發(fā)射。與意外BIC相比，后者對破壞對稱的擾動極為敏感。對應于折射率虛部（n“）的激光系統(tǒng)的超常增益可以成為超快控制對稱性以及BIC處與對稱性相關的遠場激光發(fā)射的新有效參數(shù)。

為了驗證這一概念，研究人員在MAPbBr 3鈣鈦礦薄膜中制造了方晶格周期納米結構，并對其進行光泵浦。在對稱保護的BIC上實現(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。偏振測試和自干涉圖案顯示發(fā)射激光束被軌道角動量（OAM）徑向偏振。

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

研究人員表明，泵浦曲線可以有效地控制BIC激光器。通過部分增加第二束光的光學增益，破壞了四重旋轉對稱性，BIC激光器退化為傳統(tǒng)的光子晶體激光器。結果，甜甜圈光束過渡到兩個線性偏振波瓣。這種轉換及其反轉發(fā)生在1-1.5 ps的時間內。還可以在2-3 ps內實現(xiàn)從甜甜圈到兩個瓣的完整過渡，再回到甜甜圈。這樣的切換時間比BIC微激光器的壽命快一個數(shù)量級以上，這清楚地證明了激光器壽命對切換時間的限制已被打破。

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

激光閾值約為4.2 mW / cm 2，每位能耗類似于當前的全光開關。宋說：“這是因為我們的鈣鈦礦納米結構的質量低下，而BIC的超高Q因子尚未得到充分利用?！?最終，利用BIC可以進一步將閾值降低幾個數(shù)量級，并打破了全光開關的所有局限性?！?/span>

所證明的機理不受光激發(fā)的限制。具有超快切換的電驅動BIC微激光器也是可能的，并且這種超快可切換BIC激光器的級聯(lián)片上集成對于光學和量子計算也是必不可少的。

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