近期，中国科学院半导体研究所研究员刘峰奇团队合作在高性能电泵浦拓扑激光器研发方面取得进展。该工作为高性能电泵浦拓扑激光器研发工作提供了新思路，对推动高性能电泵浦拓扑激光器的发展和应用具有积极意义。近日，相关研究成果以「High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity」为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

该论文的共同第一作者为中国科学院半导体研究所博士生刘俊鸿和许云飞，半导体研究所刘峰奇、张锦川、翟慎强研究员和北京量子信息科学研究院陆全勇研究员为该论文的共同通讯作者。

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。

图1 电泵浦THz SMDC TL器件结构。

图2 基于SMDC的太赫兹拓扑激光器设计。

图3 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a0=30.5μm的器件的L-I-V曲线。

图4 实验和模拟的远场结果。

图5 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。

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。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。bob体育

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。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。

研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院青年创新促进会等的支持。

--中国科学院