中科院物理所陆凌团队发明革命性半导体激光器技术：TCSEL
发布时间：2022-04-07 12:09:40 热度：3848
4/07/2022，光纤在线讯，Nature Photonics杂志2022年3月17日发表中科院物理所杨乐臣，李广睿，高晓梅，陆凌团队的文章“拓扑腔表面发射半导体激光器”（TCSEL）。继2020年该团队在Nature Nanotechnology上首次提出“狄拉克涡旋”拓扑光腔后，陆凌团队在该技术实用化上更进一步。
据陆凌团队介绍，“狄拉克涡旋”拓扑光腔，是目前已知大面积单模性最好的光腔设计，可从原理上突破现有半导体激光器出射功率和光束质量不能并存的瓶颈。在最近这篇文章中，该团队得到远超同类商用产品的指标和性能。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，以及二维多波长阵列的集成能力。TCSEL的发明对于人脸识别、自动驾驶、虚拟现实所需的三维感知和激光雷达等新兴技术有重要意义。
以往半导体激光器实现单模工作主要依靠基于光子晶体结构的选模，比如早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是两个带边模式的相互竞争，导致单模工作较不稳定。解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证稳定的单模工作。VCSEL激光器的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而，由于上述两种主流产品均是采用一维光子晶体选模，因此其他两个没有周期结构的方向就因没有选模机制而难以在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到阻碍。一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL）的产品也已于2017年由日本滨松公司推出，其具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子（Q）的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样，设计出鲁棒的二维带间缺陷模式，有可能成为未来高功率单模激光器的重要方向。
陆凌团队意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与较多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，且原则上可在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。该团队的研究人员通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片（SOI）上和光通信波段（1550nm）实现这种狄拉克涡旋腔。该腔可实现带间单模、任意多简并模式、最大的自由光谱范围、小远场发散角、矢量光场输出、模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等特性。
图：狄拉克涡旋光腔与三种商用单模半导体激光腔的比较
大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的优势。光腔的单模性可用自由光谱范围（Free Spectral Range:FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）均与模式体积成反比（V-1），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是，狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V-1/2），所以在同等模式体积下FSR超过普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）得以最大化。此外，任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个较为独特的地方，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number:w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都接近频率简并。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。
此外，波长灵活性是TCSEL的另一个优势，如可以实现二维多波长面阵。VCSEL的垂直腔是在外延生长过程中形成的，不但激光波长受到材料生长的严重制约，而且其阵列在同片晶元上缺乏波长可调性。DFB可以调节波长，但由于边发射的裂片制造工艺约束，只能实现一维多波长整列。相比之下，TCSEL的波长可以在平面加工过程中任意调节。
图：TCSEL与现有商用单模激光器的对比
据陆凌团队介绍，“狄拉克涡旋”拓扑光腔，是目前已知大面积单模性最好的光腔设计，可从原理上突破现有半导体激光器出射功率和光束质量不能并存的瓶颈。在最近这篇文章中，该团队得到远超同类商用产品的指标和性能。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，以及二维多波长阵列的集成能力。TCSEL的发明对于人脸识别、自动驾驶、虚拟现实所需的三维感知和激光雷达等新兴技术有重要意义。
以往半导体激光器实现单模工作主要依靠基于光子晶体结构的选模，比如早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是两个带边模式的相互竞争，导致单模工作较不稳定。解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证稳定的单模工作。VCSEL激光器的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而，由于上述两种主流产品均是采用一维光子晶体选模，因此其他两个没有周期结构的方向就因没有选模机制而难以在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到阻碍。一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL）的产品也已于2017年由日本滨松公司推出，其具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子（Q）的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样，设计出鲁棒的二维带间缺陷模式，有可能成为未来高功率单模激光器的重要方向。
陆凌团队意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与较多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，且原则上可在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。该团队的研究人员通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片（SOI）上和光通信波段（1550nm）实现这种狄拉克涡旋腔。该腔可实现带间单模、任意多简并模式、最大的自由光谱范围、小远场发散角、矢量光场输出、模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等特性。
图：狄拉克涡旋光腔与三种商用单模半导体激光腔的比较
大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的优势。光腔的单模性可用自由光谱范围（Free Spectral Range:FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）均与模式体积成反比（V-1），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是，狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V-1/2），所以在同等模式体积下FSR超过普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）得以最大化。此外，任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个较为独特的地方，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number:w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都接近频率简并。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。
此外，波长灵活性是TCSEL的另一个优势，如可以实现二维多波长面阵。VCSEL的垂直腔是在外延生长过程中形成的，不但激光波长受到材料生长的严重制约，而且其阵列在同片晶元上缺乏波长可调性。DFB可以调节波长，但由于边发射的裂片制造工艺约束，只能实现一维多波长整列。相比之下，TCSEL的波长可以在平面加工过程中任意调节。
图：TCSEL与现有商用单模激光器的对比
