半導體(ti) 激光器由於(yu) 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(men) 的輸出功率低，光束質量低，這兩(liang) 種規格很難同時改進。例如，雖然較大的腔體(ti) 會(hui) 增加功率，但它支持更多的激光模式，從(cong) 而降低光束質量。

TCSEL與(yu) 主流商用單模半導體(ti) 激光器的比較.圖片來源：Institute of Physics

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

最近，同一團隊將他們(men) 的拓撲腔應用於(yu) 表麵發射激光器，並發明了拓撲腔表麵發射激光器（TCSEL），其性能可以遠遠超過商業(ye) 同行。

TCSEL采用耦合波理論建模。

根據他們(men) 在《自然光子學》上發表的報告，TCSEL具有10 W峰值功率、亞(ya) 度光束發散、60 dB邊模抑製比和二維（2D）多波長陣列，激光功率為(wei) 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範圍內(nei) 工作，並有望用於(yu) 多種應用，包括用於(yu) 人臉識別、自動駕駛和虛擬現實的激光雷達。

研究人員將TCSEL與(yu) 單模半導體(ti) 激光器的標準工業(ye) 產(chan) 品進行了比較。用於(yu) 互聯網通信的分布式反饋（DFB）邊緣發射激光器以及支持手機麵部識別的垂直腔麵發射激光器（VCSEL）都在其優(you) 化的1D諧振器設計中采用中間隙模式。TCSEL通過實現拓撲中間間隙模式的2D版本繼續這一成功之路，該模式更適合半導體(ti) 芯片上的平麵工藝。

TCSEL性能。

大麵積單模是TCSEL的一個(ge) 獨特特性，它可以改善（>10 W）和光束發散（<1°）。相比之下，商用DFB的輸出一般在幾十mW左右，單個(ge) VCSEL的輸出隻有幾mW；表麵發射的典型發散角為(wei) 20°，邊緣發射器的光束通常較差。

根據光學顯微鏡和直徑為(wei) 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誌性渦旋結構。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的這種窄發散角（小於(yu) 1°）可以降低係統的尺寸、複雜性和成本，如3D傳(chuan) 感係統。

此外，波長靈活性是TCSEL的另一個(ge) 獨特功能，例如能夠實現單片2D多波長陣列。相比之下，VCSEL通常缺乏波長可調諧性，因為(wei) 決(jue) 定激光波長的垂直腔是外延生長的。DFB激光器雖然可以調節波長，但隻能實現一維多波長陣列的邊緣發射。

TCSEL 性能和陣列。圖片來源：Institute of Physics

相比之下，TCSEL的波長可以在平麵製造過程中任意調整。在圖2中（右），通過改變晶格常數，相應的激光波長在1512 nm到1616 nm之間線性變化。2D陣列中的每台激光器在單模下穩定工作，邊模抑製比大於(yu) 50dB。2D多波長TCSEL陣列可以潛在地增強波分複用技術，用於(yu) 大容量信號傳(chuan) 輸和多光譜傳(chuan) 感應用。

自從(cong) 量子霍爾效應被發現以來，拓撲物理學一直是基礎研究的焦點，並獲得了三項諾貝爾物理學獎（1985年、1998年、2016年）。雖然拓撲穩健性可以顯著提高設備的穩定性和規格，但拓撲物理的應用仍然很難實現。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