近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心陸凌研究員團隊將原創的拓撲光腔應用於面發射半導體鐳射器中，研製出了拓撲腔面發射鐳射器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL）， 得到了遠超同類商用產品的指標和效能。在1550 nm這一最重要的通訊和人眼安全波段，同時實現了單個器件10 W峰值功率、小於1°的遠場發散角、60 dB邊模抑制比，和二維多波長陣列的整合能力。

相關研究成果以「Topological-cavity surface-emitting laser」為題於2022年03月18日線上發表在Nature Photonics上。TCSEL的發明對於人臉識別、自動駕駛、虛擬現實所需的三維感知和鐳射雷達等新興技術有重要意義。

研究背景

半導體鐳射器體積最小、效率最高、波長最廣，價格最低，是各類應用場景之首選，但出射功率低和光束質量差是其最大的瓶頸，難點更在於這兩個指標一般無法同時提高：雖然增大器件尺寸可以提高鐳射功率，但是大器件中的多模激射會降低光束質量。

之前，陸凌研究員團隊提出了一種「狄拉克渦旋」拓撲光腔，這是已知大面積單模性最好的光腔設計，可以從原理上突破現有瓶頸，同時提高出射功率和光束質量。

研究創新點

透過分析主流單模半導體鐳射器的設計我們發現（圖1），用於網際網路通訊的分散式反饋邊發射鐳射器（distributed Feedback: DFB）和用於手機人臉識別的垂直腔面發射鐳射器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL），在其最最佳化的諧振腔設計中均採用了一維週期結構中帶間拓撲缺陷模式來實現穩定單模工作。而TCSEL正是延續和推廣了這樣的成功路線，實現了與半導體晶片平面工藝最匹配的二維版本。

圖1. TCSEL與現有商用單模鐳射器的對比圖

大面積單模是TCSEL的一個獨特優勢， 這同時提高了出射功率和光束質量：面發射峰值功率大於10 W，光束髮散角小於1°（圖2左）。相比之下，商用DFB的輸出一般為數十mW的量級，單個VCSEL的輸出為幾mW，面發射的典型發散角為20°，邊發射器件的光束質量通常更差。圖2左插圖為直徑500μm器件的顯微鏡照片和掃描電子顯微鏡照片，可以清楚的看到器件標誌性的渦旋結構，TCSEL的遠場為徑向偏振分佈的向量光束。TCSEL的高功率和低發散角優勢可以增加三維感測的距離，減少光學系統的尺寸、複雜性和成本。

圖2. TCSEL效能：左側圖為鐳射器輸入輸出的功率；右側圖為多波長陣列特性

波長靈活性是TCSEL的另一個獨特優勢，比如可以實現二維多波長面陣。VCSEL的垂直腔是在外延生長過程中形成的，不但鐳射波長受到材料生長的嚴重製約，而且其陣列在同片晶元上缺乏波長可調性。而DFB雖然可以調節波長，但是由於邊發射的裂片製造工藝約束，只能實現一維多波長整列。

相比之下，TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調節，圖2（右）中透過改變晶格常數，相應的鐳射波長從1512 nm到1616 nm線性變化，二維陣列都穩定單模工作，邊模抑制比均大於50 dB。這種多波長TCSEL二維陣列可以潛在地提高波分複用技術的功率、頻寬和整合度，可以應用於高容量訊號傳輸和多光譜鐳射感測等眾多應用領域。

總結與展望

拓撲物理自量子霍爾效應發現以來一直是基礎研究領域的焦點，獲得了多個諾貝爾物理獎（1985，1998，2016）。雖然拓撲魯棒性在理論上可以顯著提高器件的穩定性和指標，但至今還沒有明確的應用出口，TCSEL的發明有望解決拓撲物理應用的長期瓶頸。

論文的共同第一作者為中科院物理所博士生楊樂臣和博士後李廣睿，第三作者為博士後高曉梅，通訊作者為陸凌研究員，TCSEL的器件製備在物理所微加工實驗室完成。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委、和北京市自然科學基金委的資助。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-00972-6