科学家发明了拓扑腔表面发射激光器

江苏激光联盟导读：

半导体激光器由于其紧凑的尺寸，高效率，低成本和宽光谱，是使用最广泛的激光器。但它们的输出功率低，光束质量低，这两种规格很难同时改进。例如，虽然较大的腔体会增加功率，但它支持更多的激光模式，从而降低光束质量。

TCSEL与主流商用单模半导体激光器的比较.图片来源：Institute of Physics

此前，中国科学院物理研究所的L01小组在Lu Ling教授的带领下演示了狄拉克涡旋拓扑腔。它提供了最大面积的最佳单模选择。这种腔设计旨在克服半导体激光器的上述瓶颈，同时提高输出功率和光束质量。

最近，同一团队将他们的拓扑腔应用于表面发射激光器，并发明了拓扑腔表面发射激光器（TCSEL），其性能可以远远超过商业同行。

TCSEL采用耦合波理论建模。

根据他们在《自然光子学》上发表的报告，TCSEL具有10 W峰值功率、亚度光束发散、60 dB边模抑制比和二维（2D）多波长阵列，激光功率为1550nm，这是最重要的通信和眼睛安全波长。它还可以在任何其他波长范围内工作，并有望用于多种应用，包括用于人脸识别、自动驾驶和虚拟现实的激光雷达。

研究人员将TCSEL与单模半导体激光器的标准工业产品进行了比较。用于互联网通信的分布式反馈（DFB）边缘发射激光器以及支持手机面部识别的垂直腔面发射激光器（VCSEL）都在其优化的1D谐振器设计中采用中间隙模式。TCSEL通过实现拓扑中间间隙模式的2D版本继续这一成功之路，该模式更适合半导体芯片上的平面工艺。

TCSEL性能。

大面积单模是TCSEL的一个独特特性，它可以改善（>10 W）和光束发散（<1°）。相比之下，商用DFB的输出一般在几十mW左右，单个VCSEL的输出只有几mW；表面发射的典型发散角为20°，边缘发射器的光束通常较差。

根据光学显微镜和直径为500μm的扫描电子显微镜图像，可以清楚地看到狄拉克涡旋腔的标志性涡旋结构。TCSEL的远场是径向极化的矢量光束。重要的是，在没有准直透镜的情况下，TCSEL的这种窄发散角（小于1°）可以降低系统的尺寸、复杂性和成本，如3D传感系统。

此外，波长灵活性是TCSEL的另一个独特功能，例如能够实现单片2D多波长阵列。相比之下，VCSEL通常缺乏波长可调谐性，因为决定激光波长的垂直腔是外延生长的。DFB激光器虽然可以调节波长，但只能实现一维多波长阵列的边缘发射。

TCSEL 性能和阵列。图片来源：Institute of Physics

相比之下，TCSEL的波长可以在平面制造过程中任意调整。在图2中（右），通过改变晶格常数，相应的激光波长在1512 nm到1616 nm之间线性变化。2D阵列中的每台激光器在单模下稳定工作，边模抑制比大于50dB。2D多波长TCSEL阵列可以潜在地增强波分复用技术，用于大容量信号传输和多光谱传感应用。

自从量子霍尔效应被发现以来，拓扑物理学一直是基础研究的焦点，并获得了三项诺贝尔物理学奖（1985年、1998年、2016年）。虽然拓扑稳健性可以显著提高设备的稳定性和规格，但拓扑物理的应用仍然很难实现。TCSEL可以带来不同。