拓撲激光器可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。近期，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱量子院）和共建單位中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，在高性能電泵浦拓撲激光器研發(fā)方面創(chuàng)新性地引入了表面金屬拓撲腔設(shè)計，并優(yōu)化了吸收設(shè)計和拓撲腔的參數(shù)設(shè)計，解決了太赫茲電泵浦拓撲激光器功率增加的瓶頸問題。2024年5月24日，該成果以“High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity”為題發(fā)表在Nature Communications上。

拓撲激光器（TL）因其激光模式受到保護，不受擾動或缺陷的影響，由于拓撲光學(xué)模式具有拓撲保護，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。過去的幾年里，實現(xiàn)拓撲激光器大多采用的是光泵浦的方法，光泵浦不方便人為控制，這限制了拓撲激光器的發(fā)展，而電泵浦TL以其緊湊的尺寸和易于集成的優(yōu)點獲得了廣泛的研究興趣。然而，基于電注入的TL器件目前仍處于起步階段，輸出功率相當(dāng)?shù)�，在實際應(yīng)用中存在很大差距。因此，開發(fā)一種提高電泵浦TL輸出功率的設(shè)計機制至關(guān)重要，也是未來研究拓撲激光器的重要趨勢之一。

研究團隊在高性能電泵浦TL研發(fā)中創(chuàng)新性地引入了表面金屬狄拉克拓撲腔（SMDC）設(shè)計。由于SMDC與有源區(qū)之間的強耦合，在非刻蝕有源區(qū)的弱折射率差情況下實現(xiàn)了魯棒的拓撲帶間模式（Jackiw-Rossi零能模）工作，這從具有不同腔參數(shù)的TL器件的魯棒單模激光光譜和遠場模式中得到了例證。同時，SMDC的設(shè)計未破壞有源區(qū)，提供了足夠的增益，并且SMDC具有非常高的面輻射效率，最終實現(xiàn)了單模面發(fā)射150mW的峰值功率。

團隊研發(fā)的高性能電泵浦TL與目前國際上報道的電泵浦太赫茲TL相比功率實現(xiàn)了一個數(shù)量級的提升并且與同波段其他的面發(fā)射激光器的最佳功率結(jié)果相當(dāng)。此外，器件具有渦旋偏振的遠場，是理想的片上渦旋偏振光源。并且通過引入相位調(diào)制，在保持渦旋偏振特性的情況下，獲得了對稱性可調(diào)節(jié)的遠場。該工作為高性能電泵浦TL提供了一個新的研究思路與方法，推動了高性能電泵浦TL的發(fā)展。

該論文的共同第一作者為半導(dǎo)體所博士生劉俊鴻和許云飛，半導(dǎo)體研究所劉峰奇、張錦川、翟慎強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、北京市科委等項目的支持。

文章來源：激光行業(yè)觀察

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