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半導(dǎo)體激光器體積最小、效率最高、波長最廣，價(jià)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(diǎn)更在于這兩個(gè)指標(biāo)一般無法同時(shí)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(huì)降低光束質(zhì)量。之前，中國科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L01組陸凌團(tuán)隊(duì)，提出了一種“狄拉克渦旋”拓?fù)涔馇唬且阎竺娣e單模性最好的光腔設(shè)計(jì)，可以從原理上突破現(xiàn)有瓶頸，同時(shí)提高出射功率和光束質(zhì)量。最近，他們將原創(chuàng)的拓?fù)涔馇粦?yīng)用于面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中，研制出了拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL）， 得到了遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)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(shí)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件10W峰值功率、小于1°的遠(yuǎn)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”為題于2022年03月18日在線發(fā)表在Nature Photonics雜志網(wǎng)站上，TCSEL的發(fā)明對(duì)于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)所需的三維感知和激光雷達(dá)等新興技術(shù)有重要意義。
圖1. TCSEL與現(xiàn)有商用單模激光器的對(duì)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； 在二維中，拓?fù)涔馇幻姘l(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，和多波長二維陣列等優(yōu)勢(shì)。
通過分析主流單模半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)我們發(fā)現(xiàn)（圖一），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(jī)人臉識(shí)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(jì)中均采用了一維周期結(jié)構(gòu)中帶間拓?fù)淙毕菽Ｊ絹韺?shí)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(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體芯片平面工藝最匹配的二維版本。
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(yuǎn)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。
大面積單模是TCSEL的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)， 這同時(shí)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(jí)，單個(gè)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，可以清楚的看到器件標(biāo)志性的渦旋結(jié)構(gòu)，TCSEL的遠(yuǎn)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(shì)可以增加三維傳感的距離，減少光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本。
波長靈活性是TCSEL的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比如可以實(shí)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(yán)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(shí)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，可以應(yīng)用于高容量信號(hào)傳輸和多光譜激光傳感等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。
拓?fù)湮锢碜粤孔踊魻栃?yīng)發(fā)現(xiàn)以來一直是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)，獲得了多個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)（1985，1998，2016）。雖然拓?fù)漪敯粜栽诶碚撋峡梢燥@著提高器件的穩(wěn)定性和指標(biāo)，但至今還沒有明確的應(yīng)用出口，TCSEL的發(fā)明有望解決拓?fù)湮锢響?yīng)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(shí)驗(yàn)室完成。該研究工作得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委、和北京市自然科學(xué)基金委的資助。
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