拓撲激光器可得到具有魯棒性的單模激光，是未來新型光電集成芯片的理想光源。近期，北京量子信息科學研究院（以下簡稱量子院）和共建單位中國科學院半導(dǎo)體研究所合作，在高性能電泵浦拓撲激光器研發(fā)方面創(chuàng)新性地引入了表面金屬拓撲腔設(shè)計，并優(yōu)化了吸收設(shè)計和拓撲腔的參數(shù)設(shè)計，解決了太赫茲電泵浦拓撲激光器功率增加的瓶頸問題。2024年5月24日，該成果以“High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity”為題發(fā)表在Nature Communications上。

拓撲激光器（TL）因其激光模式受到保護，不受擾動或缺陷的影響，由于拓撲光學模式具有拓撲保護，可以得到具有魯棒性的單模激光，是未來新型光電集成芯片的理想光源。過去的幾年里，實現(xiàn)拓撲激光器大多采用的是光泵浦的方法，光泵浦不方便人為控制，這限制了拓撲激光器的發(fā)展，而電泵浦TL以其緊湊的尺寸和易于集成的優(yōu)點獲得了廣泛的研究興趣。然而，基于電注入的TL器件目前仍處于起步階段，輸出功率相當?shù)?，在實際應(yīng)用中存在很大差距。因此，開發(fā)一種提高電泵浦TL輸出功率的設(shè)計機制至關(guān)重要，也是未來研究拓撲激光器的重要趨勢之一。

研究團隊在高性能電泵浦TL研發(fā)中創(chuàng)新性地引入了表面金屬狄拉克拓撲腔（SMDC）設(shè)計。由于SMDC與有源區(qū)之間的強耦合，在非刻蝕有源區(qū)的弱折射率差情況下實現(xiàn)了魯棒的拓撲帶間模式（Jackiw-Rossi零能模）工作，這從具有不同腔參數(shù)的TL器件的魯棒單模激光光譜和遠場模式中得到了例證。同時，SMDC的設(shè)計未破壞有源區(qū)，提供了足夠的增益，并且SMDC具有非常高的面輻射效率，最終實現(xiàn)了單模面發(fā)射150mW的峰值功率。

團隊研發(fā)的高性能電泵浦TL與目前國際上報道的電泵浦太赫茲TL相比功率實現(xiàn)了一個數(shù)量級的提升并且與同波段其他的面發(fā)射激光器的最佳功率結(jié)果相當。此外，器件具有渦旋偏振的遠場，是理想的片上渦旋偏振光源。并且通過引入相位調(diào)制，在保持渦旋偏振特性的情況下，獲得了對稱性可調(diào)節(jié)的遠場。該工作為高性能電泵浦TL提供了一個新的研究思路與方法，推動了高性能電泵浦TL的發(fā)展。

該論文的共同第一作者為半導(dǎo)體所博士生劉俊鴻和許云飛，半導(dǎo)體研究所劉峰奇、張錦川、翟慎強研究員和北京量子信息科學研究院陸全勇研究員為該論文的共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、北京市科委等項目的支持。