全光开关是一种用光控制光的设备，这是现代光通信和信息处理的基本组成部分。创建高效，超快速和紧凑的全光开关已被认为是下一代光学和量子计算发展的关键步骤。原则上，光子在低功率线性状态下不会彼此直接相互作用，通常需要一个腔来共振地增强控制光的场并增加相互作用。在早期工作中，通过优化谐振器（例如微环或光子晶体），快速改善了全光开关的性能。为了进一步改进，研究领域达到了极限，即在超低能耗和超短开关时间之间进行权衡。

中国哈尔滨工业大学的宋庆海说：“低能耗通常需要谐振器的高Q因子，而寿命更长的高Q模式则对提高开关速度构成了障碍。最近已开发出一种具有等离子体纳米结构的替代方法来打破这种折中。插入和传播损耗高达19 dB，并且需要额外的功耗来放大信号。”

连续体中受拓扑保护的边界状态的激射行为有可能最终解决这一长期挑战。在《Science》杂志上，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人员详细介绍了他们在连续体（BIC）中受拓扑保护的有界状态的转换机制的创新，这种转换机制可实现从径向向微激光发射的超快转变。偏振的甜甜圈光束变成线性偏振的波瓣，反之亦然。BIC的极高Q因子可以大大降低激光阈值，并最终打破传统全光开关的上述折中方案。

这项研究的下一步是将多个此类可切换微激光器与级联方式集成到集成的光子芯片中，并执行光学逻辑操作。这是最终目标（光学或量子计算）的前提。

常规的超快全光开关利用非线性折射率或非线性吸收来产生光学位。这样的技术需要高激发通量以产生波长偏移，或者需要额外的损耗来调制传输，仍然受到权衡的限制。

研究人员用BIC的光学特性解决了这个问题，该问题最初是由冯·诺依曼（Von Neumann）和威格纳（Wigner）在量子力学中提出的，并且最近在光学领域得到了重新研究。尽管偶然的BIC由于其坚固性而引起了大多数研究关注，但本研究的重点是对称保护的BIC的激光发射。与意外BIC相比，后者对破坏对称的扰动极为敏感。对应于折射率虚部（n“）的激光系统的超常增益可以成为超快控制对称性以及BIC处与对称性相关的远场激光发射的新有效参数。

为了验证这一概念，研究人员在MAPbBr 3钙钛矿薄膜中制造了方晶格周期纳米结构，并对其进行光泵浦。在对称保护的BIC上实现了单模激光操作。输出激光束是垂直方向的甜甜圈束，发散角为2o。偏振测试和自干涉图案显示发射激光束被轨道角动量（OAM）径向偏振。

Song说：“使用OAM定向发射激光不足为奇。” “它已经由加州大学伯克利分校的B. Kante观察到并进行了解释。它与BIC处的偏振涡旋和实际样品引起的横向自旋角动量有关。它也可以通过圆偏振光激发来实现。 BIC微型激光器在全光交换方面更具吸引力。”

研究人员表明，泵浦曲线可以有效地控制BIC激光器。通过部分增加第二束光的光学增益，破坏了四重旋转对称性，BIC激光器退化为传统的光子晶体激光器。结果，甜甜圈光束过渡到两个线性偏振波瓣。这种转换及其反转发生在1-1.5 ps的时间内。还可以在2-3 ps内实现从甜甜圈到两个瓣的完整过渡，再回到甜甜圈。这样的切换时间比BIC微激光器的寿命快一个数量级以上，这清楚地证明了激光器寿命对切换时间的限制已被打破。

宋说：“这种超快速的控制归因于BIC的远场特性。” “ BIC是由辐射通道上的相消干涉形成的。考虑到远场辐射，从BIC微激光器到传统激光器的过渡代表了激光发射的重新分布，而不是直接打开/关闭激光模式。”

激光阈值约为4.2 mW / cm 2，每位能耗类似于当前的全光开关。宋说：“这是因为我们的钙钛矿纳米结构的质量低下，而BIC的超高Q因子尚未得到充分利用。” 最终，利用BIC可以进一步将阈值降低几个数量级，并打破了全光开关的所有局限性。”

所证明的机理不受光激发的限制。具有超快切换的电驱动BIC微激光器也是可能的，并且这种超快可切换BIC激光器的级联片上集成对于光学和量子计算也是必不可少的。

这项研究于2020年2月28日发表在《Science》杂志上，文章标题为《Ultrafast control of vortex microlasers》。