【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】拓撲激光器(TL)是利用拓撲光學(xué)原理設(shè)計和制造的激光器件，可以得到具有魯棒性的單模激光，是未來新型光電集成芯片的理想光源。電泵浦拓撲激光器以其體積小、易于集成等優(yōu)點成為近年研究熱點，但基于電注入的拓撲激光器目前仍處于研究起步階段，輸出功率低，性能距離實際應(yīng)用還存在很大差距。因此，開發(fā)一種提高電泵浦拓撲激光器輸出功率的設(shè)計思路和技術(shù)方案至關(guān)重要。
 

　　近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉峰奇研究員研究團隊在高性能電泵浦拓撲激光器研發(fā)方面取得進展：研究團隊創(chuàng)新性地引入了表面金屬狄拉克拓撲腔(SMDC)設(shè)計(圖1)，將拓撲腔制備于表面金屬層，保留了有源區(qū)的完整性，為實現(xiàn)高功率輸出提供了足夠增益，從而解決了有源區(qū)刻蝕限制電泵浦拓撲激光器功率提升的瓶頸問題；利用SMDC與有源區(qū)之間的強耦合作用，在低有效折射率差的情況下，通過優(yōu)化吸收邊和拓撲腔參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)了魯棒的拓撲帶間模式(Jackiw-Rossi零能模)工作，并在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的拓撲激光器的魯棒單模激光光譜和遠場模式中得到了例證。
 

　　由于SMDC設(shè)計未破壞有源區(qū)，且SMDC結(jié)構(gòu)具有高面輻射效率，該器件實現(xiàn)了150毫瓦的單模面發(fā)射峰值功率(圖2)。此外，該器件具有渦旋偏振遠場，通過引入相位調(diào)制，在保持拓撲激光器渦旋偏振特性的情況下，獲得了對稱性可調(diào)節(jié)的遠場(圖3)，是一種理想的片上渦旋偏振光源。
 

　　該工作為高性能電泵浦拓撲激光器研發(fā)提供了新思路方案，對于推動高性能電泵浦拓撲激光器的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
 

　　該成果以“High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity”為題，5月24日發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications)(DOI:10.1038/s41467-024-48788-y)。半導(dǎo)體所博士生劉俊鴻和博士生許云飛為論文共同第一作者，半導(dǎo)體所劉峰奇研究員、翟慎強研究員、張錦川研究員和北京量子信息科學(xué)研究院陸全勇研究員為該論文的共同通訊作者。
 

　　該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院青年促進會等項目的資助。
 

圖1 電泵浦THz SMDC TL器件結(jié)構(gòu)
 

　　圖2 具有不同腔參數(shù)的SMDC TL的激光光譜和L-I-V結(jié)果。a具有不同晶格常數(shù)，m=0.18a的器件在不同注入電流密度下的激光光譜。b不同m和相同晶格常數(shù)a0=30.5μm的器件的L-I-V曲線。

 

　　圖3 通過相位分布調(diào)制進行遠場對稱性調(diào)諧。a-b相位調(diào)制參數(shù)q為3的相位分布。c-d相位調(diào)制參數(shù)q為3的模擬和實驗遠場。e-f相位調(diào)制參數(shù)q為1.5的相位分布；由于鏡對稱軸的存在，紫色虛線與實線部分對稱。g-h相位調(diào)制參數(shù)q為1.5的模擬和實驗遠場。