半導(dǎo)體激光器由于其緊湊的尺寸，高效率，低成本和寬光譜，是使用最廣泛的激光器。但它們的輸出功率低，光束質(zhì)量低，這兩種規(guī)格很難同時改進。例如，雖然較大的腔體會增加功率，但它支持更多的激光模式，從而降低光束質(zhì)量。

TCSEL與主流商用單模半導(dǎo)體激光器的比較.圖片來源：Institute of Physics

此前，中國科學(xué)院物理研究所的L01小組在Lu Ling教授的帶領(lǐng)下演示了狄拉克渦旋拓撲腔。它提供了最大面積的最佳單模選擇。這種腔設(shè)計旨在克服半導(dǎo)體激光器的上述瓶頸，同時提高輸出功率和光束質(zhì)量。

最近，同一團隊將他們的拓撲腔應(yīng)用于表面發(fā)射激光器，并發(fā)明了拓撲腔表面發(fā)射激光器（TCSEL），其性能可以遠遠超過商業(yè)同行。

TCSEL采用耦合波理論建模。

根據(jù)他們在《自然光子學(xué)》上發(fā)表的報告，TCSEL具有10 W峰值功率、亞度光束發(fā)散、60 dB邊模抑制比和二維（2D）多波長陣列，激光功率為1550nm，這是最重要的通信和眼睛安全波長。它還可以在任何其他波長范圍內(nèi)工作，并有望用于多種應(yīng)用，包括用于人臉識別、自動駕駛和虛擬現(xiàn)實的激光雷達。

研究人員將TCSEL與單模半導(dǎo)體激光器的標準工業(yè)產(chǎn)品進行了比較。用于互聯(lián)網(wǎng)通信的分布式反饋（DFB）邊緣發(fā)射激光器以及支持手機面部識別的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）都在其優(yōu)化的1D諧振器設(shè)計中采用中間隙模式。TCSEL通過實現(xiàn)拓撲中間間隙模式的2D版本繼續(xù)這一成功之路，該模式更適合半導(dǎo)體芯片上的平面工藝。

TCSEL性能。

大面積單模是TCSEL的一個獨特特性，它可以改善（>10 W）和光束發(fā)散（<1°）。相比之下，商用DFB的輸出一般在幾十mW左右，單個VCSEL的輸出只有幾mW；表面發(fā)射的典型發(fā)散角為20°，邊緣發(fā)射器的光束通常較差。

根據(jù)光學(xué)顯微鏡和直徑為500μm的掃描電子顯微鏡圖像，可以清楚地看到狄拉克渦旋腔的標志性渦旋結(jié)構(gòu)。TCSEL的遠場是徑向極化的矢量光束。重要的是，在沒有準直透鏡的情況下，TCSEL的這種窄發(fā)散角（小于1°）可以降低系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本，如3D傳感系統(tǒng)。

此外，波長靈活性是TCSEL的另一個獨特功能，例如能夠?qū)崿F(xiàn)單片2D多波長陣列。相比之下，VCSEL通常缺乏波長可調(diào)諧性，因為決定激光波長的垂直腔是外延生長的。DFB激光器雖然可以調(diào)節(jié)波長，但只能實現(xiàn)一維多波長陣列的邊緣發(fā)射。

TCSEL 性能和陣列。圖片來源：Institute of Physics

相比之下，TCSEL的波長可以在平面制造過程中任意調(diào)整。在圖2中（右），通過改變晶格常數(shù)，相應(yīng)的激光波長在1512 nm到1616 nm之間線性變化。2D陣列中的每臺激光器在單模下穩(wěn)定工作，邊模抑制比大于50dB。2D多波長TCSEL陣列可以潛在地增強波分復(fù)用技術(shù)，用于大容量信號傳輸和多光譜傳感應(yīng)用。

自從量子霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，拓撲物理學(xué)一直是基礎(chǔ)研究的焦點，并獲得了三項諾貝爾物理學(xué)獎（1985年、1998年、2016年）。雖然拓撲穩(wěn)健性可以顯著提高設(shè)備的穩(wěn)定性和規(guī)格，但拓撲物理的應(yīng)用仍然很難實現(xiàn)。TCSEL可以帶來不同。

多波長2D TCSEL陣列。

來源：Topological-cavity surface-emitting laser, Nature Photonics (2022).DOI: 10.1038/s41566-022-00972-6