拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器：TCSEL

半導(dǎo)體激光器體積最小、效率最高、波長(zhǎng)最廣，價(jià)格最低，是各類應(yīng)用場(chǎng)景之首選，但出射功率低和光束質(zhì)量差是瓶頸，難點(diǎn)更在于這兩個(gè)指標(biāo)一般無(wú)法同時(shí)提高，即雖然增大器件尺寸可以提高激光功率，但是大器件中的多模激射會(huì)降低光束質(zhì)量。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L01組陸凌團(tuán)隊(duì)將原創(chuàng)的拓?fù)涔馇粦?yīng)用于面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中，研制出拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器（topological-cavity surface-emitting laser: TCSEL），得到遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)和性能（見(jiàn)圖1）。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件10W峰值功率、小于1°的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長(zhǎng)陣列的集成能力。相關(guān)研究成果以“拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器（Topological-cavity surface-emitting laser）”為題，在線發(fā)表在Nature Photonics期刊上。TCSEL的發(fā)明對(duì)于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)所需的三維感知和激光雷達(dá)等新興技術(shù)有重要意義。

這篇拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器論文的共同第一作者為中科院物理所博士生楊樂(lè)臣和博士后李廣睿，第三作者為博士后高曉梅，通訊作者為陸凌研究員。TCSEL的器件制備在物理所微加工實(shí)驗(yàn)室完成。相關(guān)研究工作得到中科院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-022-00972-6

圖1 TCSEL與現(xiàn)有商用單模激光器的對(duì)比：一維中，邊發(fā)射的相移分布反饋激光器（DFB）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）均采用帶間模式穩(wěn)定激射；二維中，拓?fù)涔馇幻姘l(fā)射激光器（TCSEL）可以大面積單模工作，與一維相比可以提供更高的發(fā)射功率，更窄的光束發(fā)散角，以及多波長(zhǎng)二維陣列等優(yōu)勢(shì)。

研究分析主流單模半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)（圖1），用于互聯(lián)網(wǎng)通信的分布式反饋邊發(fā)射激光器（distributed Feedback，DFB）和用于手機(jī)人臉識(shí)別的垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers，VCSEL），在其最優(yōu)化的諧振腔設(shè)計(jì)中均采用了一維周期結(jié)構(gòu)中帶間拓?fù)淙毕菽Ｊ絹?lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單模工作。而TCSEL正是延續(xù)和推廣了這樣的成功路線，實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體芯片平面工藝最匹配的二維版本。

大面積單模是TCSEL的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了出射功率和光束質(zhì)量——面發(fā)射峰值功率大于10 W，光束發(fā)散角小于1°（圖2左）。相比之下，商用DFB的輸出一般為數(shù)十mW的量級(jí)，單個(gè)VCSEL的輸出為幾mW，面發(fā)射的典型發(fā)散角為20°，邊發(fā)射器件的光束質(zhì)量通常更差。圖2左插圖為直徑500μm器件的顯微鏡照片和掃描電子顯微鏡照片，可清楚看到器件標(biāo)志性的渦旋結(jié)構(gòu)，TCSEL的遠(yuǎn)場(chǎng)為徑向偏振分布的矢量光束。TCSEL的高功率和低發(fā)散角優(yōu)勢(shì)可以增加三維傳感的距離，減少光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本。

圖2 TCSEL性能：左側(cè)圖為激光器輸入輸出的功率，插圖為激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)照片、顯微鏡圖、掃描電子顯微鏡圖；右側(cè)圖為多波長(zhǎng)陣列特性。

波長(zhǎng)靈活性是TCSEL的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，如可以實(shí)現(xiàn)二維多波長(zhǎng)面陣。VCSEL的垂直腔是在外延生長(zhǎng)過(guò)程中形成的，不但激光波長(zhǎng)受到材料生長(zhǎng)的嚴(yán)重制約，而且其陣列在同片晶元上缺乏波長(zhǎng)可調(diào)性。DFB可以調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，但由于邊發(fā)射的裂片制造工藝約束，只能實(shí)現(xiàn)一維多波長(zhǎng)整列。相比之下，TCSEL的波長(zhǎng)可以在平面加工過(guò)程中任意調(diào)節(jié)，圖2（右）中通過(guò)改變晶格常數(shù)，相應(yīng)的激光波長(zhǎng)從1512nm到1616nm線性變化，二維陣列都穩(wěn)定單模工作，邊模抑制比均大于50dB。這種多波長(zhǎng)TCSEL二維陣列可以潛在地提高波分復(fù)用技術(shù)的功率、帶寬和集成度，可應(yīng)用于高容量信號(hào)傳輸和多光譜激光傳感等應(yīng)用領(lǐng)域。

拓?fù)湮锢碜粤孔踊魻栃?yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。雖然拓?fù)漪敯粜栽诶碚撋峡梢燥@著提高器件的穩(wěn)定性和指標(biāo)，但是至今沒(méi)有明確的應(yīng)用出口，TCSEL的發(fā)明有望解決拓?fù)湮锢響?yīng)用的瓶頸。

陸凌課題組（L01課題組）介紹

中科院物理所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L01課題組，研究領(lǐng)域?yàn)橥負(fù)涔庾訉W(xué)、微納光子學(xué)、光和凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用等，科研成果多在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物發(fā)表。課題組擁有國(guó)際領(lǐng)先的理論與計(jì)算仿真能力，全面系統(tǒng)的光學(xué)測(cè)試表征設(shè)備，微加工平臺(tái)擁有國(guó)內(nèi)頂尖的器件加工能力。課題組長(zhǎng)為中科院博導(dǎo)，國(guó)家基金委杰青，亞太物理學(xué)會(huì)“楊振寧”獎(jiǎng)獲得者，全球高被引科學(xué)家?，F(xiàn)承擔(dān)國(guó)家重大任務(wù)，開(kāi)發(fā)下一代原創(chuàng)光電芯片。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所介紹

中國(guó)科學(xué)院物理研究所（簡(jiǎn)稱：物理所）是以物理學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究為主的多學(xué)科、綜合性研究機(jī)構(gòu)。研究方向以凝聚態(tài)物理為主，包括凝聚態(tài)物理、光學(xué)物理、原子分子物理、等離子體物理、軟物質(zhì)物理、凝聚態(tài)理論和計(jì)算物理、材料科學(xué)與工程等。除了聚焦基礎(chǔ)前沿問(wèn)題，扎根中關(guān)村科研攻關(guān)外，物理所積極響應(yīng)國(guó)家科技戰(zhàn)略部署，投入北京科創(chuàng)中心懷柔科學(xué)城、粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)中心松山湖材料實(shí)驗(yàn)室以及長(zhǎng)三角物理研究中心的建設(shè)。

經(jīng)過(guò)多年努力，物理所取得了一系列重大科研成果。在基礎(chǔ)研究方面，取得了以“液氮溫區(qū)氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及研究”、“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”、“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)”、“發(fā)現(xiàn)Weyl費(fèi)米子”、“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子”、“首次在鐵基超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)”、“建立非磁性拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)”、“用材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的高溫非晶合金”、“低純度釹鐵硼永磁材料”、“定向碳納米管的制備和結(jié)構(gòu)和物性研究”為代表的一批原創(chuàng)性重要研究成果，獲國(guó)際、國(guó)內(nèi)獎(jiǎng)共490余項(xiàng)，其中第三世界科學(xué)院物理獎(jiǎng)8項(xiàng)，國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)33項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)24項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)9項(xiàng)。

審核編輯 ：李倩