拓撲激光器(TL)是利用拓撲光學原理設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，性能距離實際應用還存在很大差距。因此，開發一種提高電泵浦拓撲激光器輸出功率的設計思路和技術方案至關重要。
 

　　近期，中國科學院半導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方面取得進展：研究團隊創新性地引入了表面金屬狄拉克拓撲腔(SMDC)設計(圖1)，將拓撲腔制備于表面金屬層，保留了有源區的完整性，為實現高功率輸出提供了足夠增益，從而解決了有源區刻蝕限制電泵浦拓撲激光器功率提升的瓶頸問題；利用SMDC與有源區之間的強耦合作用，在低有效折射率差的情況下，通過優化吸收邊和拓撲腔參數設計，實現了魯棒的拓撲帶間模式(Jackiw-Rossi零能模)工作，并在不同結構參數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設計未破壞有源區，且SMDC結構具有高面輻射效率，該器件實現了150毫瓦的單模面發射峰值功率(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，獲得了對稱性可調節的遠場(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展和應用具有重要意義。
 

　　該成果以“High-power electrically pumped terahertz?topological laser based on a surface metallic?Dirac-vortex cavity”為題，5月24日發表于《自然-通訊》(Nature?Communications)(DOI:10.1038/s41467-024-48788-y)。半導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基金、國家重點研發計劃以及中國科學院青年促進會等項目的資助。
 

圖1?電泵浦THz?SMDC?TL器件結構
 

　　圖2 具有不同腔參數的SMDC TL的激光光譜和L-I-V結果。a具有不同晶格常數，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a0=30.5μm的器件的L-I-V曲線。

 

　　圖3 通過相位分布調制進行遠場對稱性調諧。a-b相位調制參數q為3的相位分布。c-d相位調制參數q為3的模擬和實驗遠場。e-f相位調制參數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相位調制參數q為1.5的模擬和實驗遠場。