半導體激光器由于其緊湊的尺寸,高效率,低成本和寬光譜,是使用最廣泛的激光器。但它們的輸出功率低,光束質量低,這兩種規(guī)格很難同時改進。例如,雖然較大的腔體會增加功率,但它支持更多的激光模式,從而降低光束質量。
TCSEL與主流商用單模半導體激光器的比較.圖片來源:Institute of Physics
此前,中國科學院物理研究所的L01小組在Lu Ling教授的帶領下演示了狄拉克渦旋拓撲腔。它提供了最大面積的最佳單模選擇。這種腔設計旨在克服半導體激光器的上述瓶頸,同時提高輸出功率和光束質量。
最近,同一團隊將他們的拓撲腔應用于表面發(fā)射激光器,并發(fā)明了拓撲腔表面發(fā)射激光器(TCSEL),其性能可以遠遠超過商業(yè)同行。
TCSEL采用耦合波理論建模。
根據(jù)他們在《自然光子學》上發(fā)表的報告,TCSEL具有10 W峰值功率、亞度光束發(fā)散、60 dB邊模抑制比和二維(2D)多波長陣列,激光功率為1550nm,這是最重要的通信和眼睛安全波長。它還可以在任何其他波長范圍內工作,并有望用于多種應用,包括用于人臉識別、自動駕駛和虛擬現(xiàn)實的激光雷達。
研究人員將TCSEL與單模半導體激光器的標準工業(yè)產品進行了比較。用于互聯(lián)網(wǎng)通信的分布式反饋(DFB)邊緣發(fā)射激光器以及支持手機面部識別的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)都在其優(yōu)化的1D諧振器設計中采用中間隙模式。TCSEL通過實現(xiàn)拓撲中間間隙模式的2D版本繼續(xù)這一成功之路,該模式更適合半導體芯片上的平面工藝。
TCSEL性能。
大面積單模是TCSEL的一個獨特特性,它可以改善(>10 W)和光束發(fā)散(<1°)。相比之下,商用DFB的輸出一般在幾十mW左右,單個VCSEL的輸出只有幾mW;表面發(fā)射的典型發(fā)散角為20°,邊緣發(fā)射器的光束通常較差。
根據(jù)光學顯微鏡和直徑為500μm的掃描電子顯微鏡圖像,可以清楚地看到狄拉克渦旋腔的標志性渦旋結構。TCSEL的遠場是徑向極化的矢量光束。重要的是,在沒有準直透鏡的情況下,TCSEL的這種窄發(fā)散角(小于1°)可以降低系統(tǒng)的尺寸、復雜性和成本,如3D傳感系統(tǒng)。
此外,波長靈活性是TCSEL的另一個獨特功能,例如能夠實現(xiàn)單片2D多波長陣列。相比之下,VCSEL通常缺乏波長可調諧性,因為決定激光波長的垂直腔是外延生長的。DFB激光器雖然可以調節(jié)波長,但只能實現(xiàn)一維多波長陣列的邊緣發(fā)射。
TCSEL 性能和陣列。圖片來源:Institute of Physics
相比之下,TCSEL的波長可以在平面制造過程中任意調整。在圖2中(右),通過改變晶格常數(shù),相應的激光波長在1512 nm到1616 nm之間線性變化。2D陣列中的每臺激光器在單模下穩(wěn)定工作,邊模抑制比大于50dB。2D多波長TCSEL陣列可以潛在地增強波分復用技術,用于大容量信號傳輸和多光譜傳感應用。
自從量子霍爾效應被發(fā)現(xiàn)以來,拓撲物理學一直是基礎研究的焦點,并獲得了三項諾貝爾物理學獎(1985年、1998年、2016年)。雖然拓撲穩(wěn)健性可以顯著提高設備的穩(wěn)定性和規(guī)格,但拓撲物理的應用仍然很難實現(xiàn)。TCSEL可以帶來不同。
多波長2D TCSEL陣列。
來源:Topological-cavity surface-emitting laser, Nature Photonics (2022).DOI: 10.1038/s41566-022-00972-6
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