全光开关是光通信、光计算和量子信息的基础，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。
在这项研究中，我们利用对拓扑保护连续区域中的束缚态(BIC)的远场特性施加微扰这一创新方法，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。我们利用微纳加工技术制备了基于杂化钙钛矿材料BIC光学微腔结构，并表征了拓扑保护BIC的激光特性。之后通过改变超快飞秒激光系统泵浦在样品上的时间和空间分布，验证了微型激光远场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，切换时间可短至1.5 ps。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。该研究成果已在权威期刊Science上发表。
图：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。
