半導體激光器體積最小、效率最高、波長最廣，價格最低，是各類應(yīng)用場景之首選，但出射功率低和光束質(zhì)量差是瓶頸，難點更在于這兩個指標一般無法同時提高，即雖然增大器件尺寸可以提高激光功率，但是大器件中的多模激射會降低光束質(zhì)量。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室L01組陸凌團隊將原創(chuàng)的拓撲光腔應(yīng)用于面發(fā)射半導體激光器中，研制出拓撲腔面發(fā)射激光器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL），得到遠超同類商用產(chǎn)品的指標和性能（見圖1）。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時實現(xiàn)了單個器件10W峰值功率、小于1°的遠場發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長陣列的集成能力。相關(guān)研究成果以“拓撲腔面發(fā)射激光器（Topological-cavity surface-emitting laser）”為題，在線發(fā)表在Nature Photonics期刊上。TCSEL的發(fā)明對于人臉識別、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實所需的三維感知和激光雷達等新興技術(shù)有重要意義。

這篇拓撲腔面發(fā)射激光器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后李廣睿，第三作者為博士后高曉梅，通訊作者為陸凌研究員。TCSEL的器件制備在物理所微加工實驗室完成。相關(guān)研究工作得到中科院、科技部、國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。

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

圖1 TCSEL與現(xiàn)有商用單模激光器的對比：一維中，邊發(fā)射的相移分布反饋激光器（DFB）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）均采用帶間模式穩(wěn)定激射；二維中，拓撲光腔面發(fā)射激光器（TCSEL）可以大面積單模工作，與一維相比可以提供更高的發(fā)射功率，更窄的光束發(fā)散角，以及多波長二維陣列等優(yōu)勢。

研究分析主流單模半導體激光器的設(shè)計發(fā)現(xiàn)（圖1），用于互聯(lián)網(wǎng)通信的分布式反饋邊發(fā)射激光器（distributed Feedback，DFB）和用于手機人臉識別的垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers，VCSEL），在其最優(yōu)化的諧振腔設(shè)計中均采用了一維周期結(jié)構(gòu)中帶間拓撲缺陷模式來實現(xiàn)穩(wěn)定單模工作。而TCSEL正是延續(xù)和推廣了這樣的成功路線，實現(xiàn)了與半導體芯片平面工藝最匹配的二維版本。

大面積單模是TCSEL的優(yōu)勢，同時提高了出射功率和光束質(zhì)量——面發(fā)射峰值功率大于10 W，光束發(fā)散角小于1°（圖2左）。相比之下，商用DFB的輸出一般為數(shù)十mW的量級，單個VCSEL的輸出為幾mW，面發(fā)射的典型發(fā)散角為20°，邊發(fā)射器件的光束質(zhì)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，可清楚看到器件標志性的渦旋結(jié)構(gòu)，TCSEL的遠場為徑向偏振分布的矢量光束。TCSEL的高功率和低發(fā)散角優(yōu)勢可以增加三維傳感的距離，減少光學系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本。

圖2 TCSEL性能：左側(cè)圖為激光器輸入輸出的功率，插圖為激光器的遠場照片、顯微鏡圖、掃描電子顯微鏡圖；右側(cè)圖為多波長陣列特性。

波長靈活性是TCSEL的另一個優(yōu)勢，如可以實現(xiàn)二維多波長面陣。VCSEL的垂直腔是在外延生長過程中形成的，不但激光波長受到材料生長的嚴重制約，而且其陣列在同片晶元上缺乏波長可調(diào)性。DFB可以調(diào)節(jié)波長，但由于邊發(fā)射的裂片制造工藝約束，只能實現(xiàn)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(diào)節(jié)，圖2（右）中通過改變晶格常數(shù)，相應(yīng)的激光波長從1512nm到1616nm線性變化，二維陣列都穩(wěn)定單模工作，邊模抑制比均大于50dB。這種多波長TCSEL二維陣列可以潛在地提高波分復(fù)用技術(shù)的功率、帶寬和集成度，可應(yīng)用于高容量信號傳輸和多光譜激光傳感等應(yīng)用領(lǐng)域。

拓撲物理自量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，一直是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的焦點。雖然拓撲魯棒性在理論上可以顯著提高器件的穩(wěn)定性和指標，但是至今沒有明確的應(yīng)用出口，TCSEL的發(fā)明有望解決拓撲物理應(yīng)用的瓶頸。

陸凌課題組（L01課題組）介紹

中科院物理所光物理重點實驗室L01課題組，研究領(lǐng)域為拓撲光子學、微納光子學、光和凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用等，科研成果多在世界頂級學術(shù)刊物發(fā)表。課題組擁有國際領(lǐng)先的理論與計算仿真能力，全面系統(tǒng)的光學測試表征設(shè)備，微加工平臺擁有國內(nèi)頂尖的器件加工能力。課題組長為中科院博導，國家基金委杰青，亞太物理學會“楊振寧”獎獲得者，全球高被引科學家?，F(xiàn)承擔國家重大任務(wù)，開發(fā)下一代原創(chuàng)光電芯片。

中國科學院物理研究所介紹

中國科學院物理研究所（簡稱：物理所）是以物理學基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究為主的多學科、綜合性研究機構(gòu)。研究方向以凝聚態(tài)物理為主，包括凝聚態(tài)物理、光學物理、原子分子物理、等離子體物理、軟物質(zhì)物理、凝聚態(tài)理論和計算物理、材料科學與工程等。除了聚焦基礎(chǔ)前沿問題，扎根中關(guān)村科研攻關(guān)外，物理所積極響應(yīng)國家科技戰(zhàn)略部署，投入北京科創(chuàng)中心懷柔科學城、粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)中心松山湖材料實驗室以及長三角物理研究中心的建設(shè)。

經(jīng)過多年努力，物理所取得了一系列重大科研成果。在基礎(chǔ)研究方面，取得了以“液氮溫區(qū)氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)及研究”、“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”、“實驗發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)”、“發(fā)現(xiàn)Weyl費米子”、“實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子”、“首次在鐵基超導體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)”、“建立非磁性拓撲材料數(shù)據(jù)庫”、“用材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的高溫非晶合金”、“低純度釹鐵硼永磁材料”、“定向碳納米管的制備和結(jié)構(gòu)和物性研究”為代表的一批原創(chuàng)性重要研究成果，獲國際、國內(nèi)獎共490余項，其中第三世界科學院物理獎8項，國家最高科學技術(shù)獎1項，國家自然科學獎33項，國家科技進步獎24項，國家發(fā)明獎9項。

審核編輯 ：李倩