拓扑腔拓宽了面发射激光器的性能

       提高输出功率和改善光束质量一直是半导体激光器的两个主要挑战，同时兼顾两者更是一个很大的瓶颈。为了解决该困境，中国科学院物理研究所的研究人员设计了一种拓扑腔面发射激光器(TCSEL)，在1550nm这一最重要的通信和人眼安全波段，同时实现 了单个器件10W峰值功率、小于1°的远场发散角、60dB边模抑制比，和二维多波长阵列的集成能力。

       TCSEL可以在其他任何波长范围内工作。该激光器的优异性能使其有望应用于激光雷达、虚拟现实、通信等多个领域。

       激光器的设计基于该团队原创的“狄拉克涡旋”拓扑光腔，是已知大面积单模性最好的光腔设计。该设计的提出从原理上克服了半导体激光器现有瓶颈，可以同时提高出射功率和光束质量。

       半导体激光器因其尺寸紧凑、效率高、成本低和光谱宽而被广泛应用于各种领域。

        研究人员在原有工作的基础上，将拓扑光腔应用于面发射半导体激光器。他们通过将其与使用单模半导体激光器的现有工业产品——用于互联网通信的分布式反馈边发射激光器和支持手机面部识别的垂直腔面发射激光器 ，进行比较来评估其性能。这两种激光器都在其最优化的谐振腔设计中采用了一维周期结构中带间拓扑缺陷模式来实现稳定单模工作。

左侧图为激光器输入输出的功率，插图为激光器的远场照片、显微镜图、扫描电子显微镜图；右侧图为多波长阵列特性。通过改变晶格常数，相应的激光波长从 1512 到 1616 nm 线性变化。

       而TCSEL 实现了二维周期结构中带间拓扑缺陷模式，研究人员表示，该模式更适合用于制造半导体芯片的平面工艺。

       TCSEL 的远场是具有径向偏振分布的矢量光束。这种在没有准直透镜的情况下小于 1° 的低发散角降低了激光器的尺寸、复杂性和成本，从而可以支持3D 传感之类的更大的系统。 从器件显微图像中，研究人员可以清楚的看到TCSEL 中狄拉克涡旋腔的涡旋结构。

       此外，激光器的波长灵活性能够实现二维多波长阵列。因为VCSEL的垂直腔是外延生长的通常缺乏波长可调性。而DFB激光器虽然可以调节波长，但它只能实现一维多波长阵列的边发射。相比之下，TCSEL的波长可以在平面制造过程中任意调节。

       二维阵列中的每个激光器都可以稳定地单模工作，边模抑制比均大于 50 dB。这种二维多波长 TCSEL 阵列可以潜在地应用于大容量信号传输和多光谱传感应用的波分复用技术。

       该研究发表在Nature Photonics (www.doi.org/10.1038/s41566-022-00972-6) 。