近日，哈工大（深圳）宋清海教授團隊在超快調製微鐳射器領域取得重要突破，其提出的全光開關新原理，有望突破超短切換時間與超低能耗之間的矛盾。相關研究在2020年2月28日以《Ultrafast control of vortex microlasers》為題發表在《Science》上。(DOI: 10.1126/science.aba4597)

全光開關是光通訊、光計算和量子資訊的基礎，利用拓撲保護連續區域中的束縛態（BIC）的遠場特性這一創新方法，有望打破超短切換時間與超低能耗之間的矛盾。這一優勢有望帶來高效的超快全光調製，並最終革新全光計算領域。

據了解，全光開關是一種用光來操控光的裝置，是現代光計算和資訊處理的基石。創造一種高效、超快且緊湊的全光開關已經成為下一代光計算和量子計算的關鍵。原理上來說，低能線性狀態下的光子之間並不會直接產生相互作用，通常需要引入腔體，使光子在其中產生諧振，從而增強光場以提升光子間的相互作用。在早期的工作中，研究者們已經通過優化微環或光子晶體等諧振器的方法實現了全光開關效能的迅速提升，然而在進一步提升效能的過程中碰到了瓶頸——超低能耗和超短切換時間難以達到一個令人滿意的平衡。

“低能耗通常需要高品質因子的諧振腔，然而更長壽命的高品質因子模式又限制了高速的開關，”宋清海教授談到：“近期，有一種利用等離子體奈米結構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19dB，需要附加的功耗用於訊號放大。”

而拓撲保護的BIC的鐳射特性有望最終解決這一長期的挑戰。來自哈爾濱工業大學、澳洲國立大學和紐約城市大學的研究者於《Science》上詳細刊登了拓撲保護BIC的光開關機理，保證了微型鐳射從徑向極化的環形光束到線性極化的旁瓣光的相互超快切換。BIC的極高品質因子能顯著降低鐳射閾值，從而突破傳統全光開關的瓶頸。

基於現有成果，該項研究的下一步是將該可切換的微型鐳射串聯整合到光子晶片上以實現光學邏輯計算的功能。這也是實現最終目標——光計算和量子計算的前提。

該論文第一作者為哈爾濱工業大學（深圳）博士研究生黃燦，第一完成單位為哈爾濱工業大學（深圳），由哈爾濱工業大學、紐約城市大學、和澳洲國立大學合作完成，通訊作者是宋清海教授、Yuri Kivshar教授和葛力教授。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、深圳市科創委、可調諧鐳射技術國家重點實驗室、微納光電資訊系統理論與技術工信部重點實驗室、極端光學協同創新中心等的支援。

圖1：準BIC微型鐳射器的超快控制。（A）兩束泵浦光的實驗示意圖。兩個光束在空間d <2R處失諧，在時間上延遲了τ。插圖顯示了在對稱和非對稱激發下鈣鈦礦超表面的遠場發射模式。（B）從BIC微型鐳射器到線性偏振鐳射器的過渡。 I1,2是插入物（A）中標記區域的強度。 插圖顯示了相應的光束輪廓。 （C）（B）的逆過程。 （D）從環形波束到旁瓣波束的轉換，並在幾皮秒內返回。紅色曲線是過渡時間計算的引導線。