拓扑激光器可得到具有鲁棒性的单模激光，是未来新型光电集成芯片的理想光源。近期，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）和共建单位中国科学院半导体研究所合作，在高性能电泵浦拓扑激光器研发方面创新性地引入了表面金属拓扑腔设计，并优化了吸收设计和拓扑腔的参数设计，解决了太赫兹电泵浦拓扑激光器功率增加的瓶颈问题。2024年5月24日，该成果以“High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity”为题发表在Nature Communications上。

拓扑激光器（TL）因其激光模式受到保护，不受扰动或缺陷的影响，由于拓扑光学模式具有拓扑保护，可以得到具有鲁棒性的单模激光，是未来新型光电集成芯片的理想光源。过去的几年里，实现拓扑激光器大多采用的是光泵浦的方法，光泵浦不方便人为控制，这限制了拓扑激光器的发展，而电泵浦TL以其紧凑的尺寸和易于集成的优点获得了广泛的研究兴趣。然而，基于电注入的TL器件目前仍处于起步阶段，输出功率相当低，在实际应用中存在很大差距。因此，开发一种提高电泵浦TL输出功率的设计机制至关重要，也是未来研究拓扑激光器的重要趋势之一。

研究团队在高性能电泵浦TL研发中创新性地引入了表面金属狄拉克拓扑腔（SMDC）设计（图1）。由于SMDC与有源区之间的强耦合，在非刻蚀有源区的弱折射率差情况下实现了鲁棒的拓扑带间模式（Jackiw-Rossi零能模）工作，这从具有不同腔参数的TL器件的鲁棒单模激光光谱和远场模式中得到了例证。同时，SMDC的设计未破坏性有源区，提供了足够的增益，并且SMDC具有非常高的面辐射效率，最终实现了单模面发射150mW的峰值功率（图2）。

图1 电泵浦THz SMDC TL器件结构

图2 具有不同腔参数的SMDC TL的激光光谱和L-I-V结果。a具有不同晶格常数，m=0.18a的器件在不同注入电流密度下的激光光谱。b不同m和相同晶格常数的器件的L-I-V曲线。

团队研发的高性能电泵浦TL与目前国际上报道的电泵浦太赫兹TL相比功率实现了一个数量级的提升并且与同波段其他的面发射激光器的最佳功率结果相当。此外，器件具有涡旋偏振的远场，是理想的片上涡旋偏振光源。并且通过引入相位调制，在保持涡旋偏振特性的情况下，获得了对称性可调节的远场（图3）。该工作为高性能电泵浦TL提供了一个新的研究思路与方法，推动了高性能电泵浦TL的发展。

图3 通过相位分布调制进行远场对称性调谐。a-b相位调制参数q为3的相位分布。c-d相位调制参数q为3的模拟和实验远场。e-f相位调制参数q为1.5的相位分布；由于镜对称轴的存在，紫色虚线与实线部分对称。g-h相位调制参数q为1.5的模拟和实验远场。

该论文的共同第一作者为半导体所博士生刘俊鸿和许云飞，半导体研究所刘峰奇、张锦川、翟慎强研究员和量子院陆全勇研究员为该论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、北京市科委等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48788-y