近日，哈工大（深圳）宋清海教授团队在超快调制微激光器领域取得重要突破，其提出的全光开关新原理，有望突破超短切换时间与超低能耗之间的矛盾。相关研究在2020年2月28日以《Ultrafast control of vortex microlasers》为题发表在《Science》上。(DOI: 10.1126/science.aba4597)

图1：准BIC微型激光器的超快控制。（A）两束泵浦光的实验示意图。两个光束在空间d <2R处失谐，在时间上延迟了τ。插图显示了在对称和非对称激发下钙钛矿超表面的远场发射模式。（B）从BIC微型激光器到线性偏振激光器的过渡。 I1,2是插入物（A）中标记区域的强度。 插图显示了相应的光束轮廓。 （C）（B）的逆过程。 （D）从环形波束到旁瓣波束的转换，并在几皮秒内返回。红色曲线是过渡时间计算的引导线。

全光开关是光通信、光计算和量子信息的基础，利用拓扑保护连续区域中的束缚态（BIC）的远场特性这一创新方法，有望打破超短切换时间与超低能耗之间的矛盾。这一优势有望带来高效的超快全光调制，并最终革新全光计算领域。

据了解，全光开关是一种用光来操控光的设备，是现代光计算和信息处理的基石。创造一种高效、超快且紧凑的全光开关已经成为下一代光计算和量子计算的关键。原理上来说，低能线性状态下的光子之间并不会直接产生相互作用，通常需要引入腔体，使光子在其中产生谐振，从而增强光场以提升光子间的相互作用。在早期的工作中，研究者们已经通过优化微环或光子晶体等谐振器的方法实现了全光开关性能的迅速提升，然而在进一步提升性能的过程中碰到了瓶颈——超低能耗和超短切换时间难以达到一个令人满意的平衡。

“低能耗通常需要高品质因子的谐振腔，然而更长寿命的高品质因子模式又限制了高速的开关，”宋清海教授谈到：“近期，有一种利用等离子体纳米结构的替代方法有望打破这一两难局面，但其引入和传播损耗高达19dB，需要附加的功耗用于信号放大。”

而拓扑保护的BIC的激光特性有望最终解决这一长期的挑战。来自哈尔滨工业大学、澳大利亚国立大学和纽约城市大学的研究者于《Science》上详细刊登了拓扑保护BIC的光开关机理，保证了微型激光从径向极化的环形光束到线性极化的旁瓣光的相互超快切换。BIC的极高品质因子能显著降低激光阈值，从而突破传统全光开关的瓶颈。

基于现有成果，该项研究的下一步是将该可切换的微型激光串联集成到光子芯片上以实现光学逻辑计算的功能。这也是实现最终目标——光计算和量子计算的前提。

该论文第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生黄灿，第一完成单位为哈尔滨工业大学（深圳），由哈尔滨工业大学、纽约城市大学、和澳大利亚国立大学合作完成，通讯作者是宋清海教授、Yuri Kivshar教授和葛力教授。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳市科创委、可调谐激光技术国家重点实验室、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室、极端光学协同创新中心等的支持。