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)量差是其最大的瓶頸，難點更在于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激光功率，但是大器件中的多模激射會降低光束質(zhì)量。

　　不久前，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，提出了一種“狄拉克渦旋”拓撲光腔，是已知大面積單模性最好的光腔設(shè)計，可以從原理上突破現(xiàn)有瓶頸，同時提高出射功率和光束質(zhì)量。

　　他們將原創(chuàng)的拓撲光腔應(yīng)用于面發(fā)射半導體激光器中，研制出了拓撲腔面發(fā)射激光器（topological-cavity surface-emitting laser，TCSEL），得到了遠超同類商用產(chǎn)品的指標和性能（見圖1 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(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，和二維多波長陣列的集成能力。

　　相關(guān)研究成果以“Topological-cavity surface-emitting laser”為題發(fā)表在Nature Photonics 雜志網(wǎng)站上，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。

　　通過分析主流單模半導體激光器的設(shè)計（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 的一個獨特優(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，可以清楚地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。

　　波長靈活性是TCSEL 的另一個獨特優(yōu)勢，比如可以實現(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。而DFB 雖然可以調(diào)節(jié)波長，但是由于邊發(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 右圖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，可以應(yīng)用于高容量信號傳輸和多光譜激光傳感等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

　　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。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。

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