半導體(ti) 激光器體(ti) 積最小、效率最高、波長最廣，價(jia) 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(yu) 這兩(liang) 個(ge) 指標一般無法同時提高： 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(hui) 降低光束質量。之前，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室L01組陸淩團隊，提出了一種“狄拉克渦旋”拓撲光腔，是已知大麵積單模性最好的光腔設計，可以從(cong) 原理上突破現有瓶頸，同時提高出射功率和光束質量。最近，他們(men) 將原創的拓撲光腔應用於(yu) 麵發射半導體(ti) 激光器中，研製出了拓撲腔麵發射激光器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL）， 得到了遠超同類商用產(chan) 品的指標和性能（見圖一中的比較）。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時實現了單個(ge) 器件10W峰值功率、小於(yu) 1°的遠場發散角、60dB邊模抑製比，和二維多波長陣列的集成能力。相關(guan) 研究成果以“Topological-cavity surface-emitting laser”為(wei) 題於(yu) 2022年03月18日在線發表在Nature Photonics雜誌網站上，TCSEL的發明對於(yu) 人臉識別、自動駕駛、虛擬現實所需的三維感知和激光雷達等新興(xing) 技術有重要意義(yi) 。

圖1. TCSEL與(yu) 現有商用單模激光器的對比：一維中，邊發射的相移分布反饋激光器(DFB)和垂直腔麵發射激光器(VCSEL)均采用帶間模式穩定激射； 在二維中，拓撲光腔麵發射激光器(TCSEL)可以大麵積單模工作，與(yu) 一維相比可以提供更高的發射功率，更窄的光束發散角，和多波長二維陣列等優(you) 勢。

通過分析主流單模半導體(ti) 激光器的設計我們(men) 發現（圖一），用於(yu) 互聯網通信的分布式反饋邊發射激光器（distributed Feedback: DFB）和用於(yu) 手機人臉識別的垂直腔麵發射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL），在其最優(you) 化的諧振腔設計中均采用了一維周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(yu) 半導體(ti) 芯片平麵工藝最匹配的二維版本。

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

大麵積單模是TCSEL的一個(ge) 獨特優(you) 勢， 這同時提高了出射功率和光束質量：麵發射峰值功率大於(yu) 10 W，光束發散角小於(yu) 1°（圖2左）。相比之下，商用DFB的輸出一般為(wei) 數十mW的量級，單個(ge) VCSEL的輸出為(wei) 幾mW，麵發射的典型發散角為(wei) 20°，邊發射器件的光束質量通常更差。圖2左插圖為(wei) 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(wei) 徑向偏振分布的矢量光束。TCSEL的高功率和低發散角優(you) 勢可以增加三維傳(chuan) 感的距離，減少光學係統的尺寸、複雜性和成本。

波長靈活性是TCSEL的另一個(ge) 獨特優(you) 勢，比如可以實現二維多波長麵陣。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(yan) 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(yu) 邊發射的裂片製造工藝約束，隻能實現一維多波長整列。相比之下，TCSEL的波長可以在平麵加工過程中任意調節，圖2（右）中通過改變晶格常數，相應的激光波長從(cong) 1512nm到1616nm線性變化，二維陣列都穩定單模工作，邊模抑製比均大於(yu) 50dB。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、帶寬和集成度，可以應用於(yu) 高容量信號傳(chuan) 輸和多光譜激光傳(chuan) 感等眾(zhong) 多應用領域。

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(ge) 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(jue) 拓撲物理應用的長期瓶頸。

論文的共同第一作者為(wei) 中科院物理所博士生楊樂(le) 臣和博士後李廣睿，第三作者為(wei) 博士後高曉梅，通訊作者為(wei) 陸淩研究員，TCSEL的器件製備在物理所微加工實驗室完成。該研究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。