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計，可以從原理上突破現有瓶頸，同時提高出射功率和光束質量。最近，他們將原創的拓撲光腔應用于面發射半導體激光器中，研制出了拓撲腔面發射激光器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL）， 得到了遠超同類商用產品的指標和性能（見圖一中的比較）。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時實現了單個器件10W峰值功率、小于1°的遠場發散角、60dB邊模抑制比，和二維多波長陣列的集成能力。相關研究成果以“Topological-cavity surface-emitting laser”為題于2022年03月18日在線發表在Nature Photonics雜志網站上，TCSEL的發明對于人臉識別、自動駕駛、虛擬現實所需的三維感知和激光雷達等新興技術有重要意義。
圖1. TCSEL與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)和垂直腔面發射激光器(VCSEL)均采用帶間模式穩定激射； 在二維中，拓撲光腔面發射激光器(TCSEL)可以大面積單模工作，與一維相比可以提供更高的發射功率，更窄的光束發散角，和多波長二維陣列等優勢。
通過分析主流單模半導體激光器的設計我們發現（圖一），用于互聯網通信的分布式反饋邊發射激光器（distributed Feedback: DFB）和用于手機人臉識別的垂直腔面發射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL），在其最優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，實現了與半導體芯片平面工藝最匹配的二維版本。
圖2. TCSEL性能：左側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；右側圖為多波長陣列特性。
大面積單模是TCSEL的一個獨特優勢， 這同時提高了出射功率和光束質量：面發射峰值功率大于10 W，光束發散角小于1°（圖2左）。相比之下，商用DFB的輸出一般為數十mW的量級，單個VCSEL的輸出為幾mW，面發射的典型發散角為20°，邊發射器件的光束質量通常更差。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，可以清楚的看到器件標志性的渦旋結構，TCSEL的遠場為徑向偏振分布的矢量光束。TCSEL的高功率和低發散角優勢可以增加三維傳感的距離，減少光學系統的尺寸、復雜性和成本。
波長靈活性是TCSEL的另一個獨特優勢，比如可以實現二維多波長面陣。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性。而DFB雖然可以調節波長，但是由于邊發射的裂片制造工藝約束，只能實現一維多波長整列。相比之下，TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調節，圖2（右）中通過改變晶格常數，相應的激光波長從1512nm到1616nm線性變化，二維陣列都穩定單模工作，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用技術的功率、帶寬和集成度，可以應用于高容量信號傳輸和多光譜激光傳感等眾多應用領域。
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的發明有望解決拓撲物理應用的長期瓶頸。
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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