拓?fù)浼す馄骺傻玫骄哂恤敯粜缘膯文＜す?，是未?lái)新型光電集成芯片的理想光源。近期，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱量子院）和共建單位中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作，在高性能電泵浦拓?fù)浼す馄餮邪l(fā)方面創(chuàng)新性地引入了表面金屬拓?fù)淝辉O(shè)計(jì)，并優(yōu)化了吸收設(shè)計(jì)和拓?fù)淝坏膮?shù)設(shè)計(jì)，解決了太赫茲電泵浦拓?fù)浼す馄鞴β试黾拥钠款i問(wèn)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?fù)浼す馄鳎═L）因其激光模式受到保護(hù)，不受擾動(dòng)或缺陷的影響，由于拓?fù)涔鈱W(xué)模式具有拓?fù)浔Ｗo(hù)，可以得到具有魯棒性的單模激光，是未來(lái)新型光電集成芯片的理想光源。過(guò)去的幾年里，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼す馄鞔蠖嗖捎玫氖枪獗闷值姆椒?，光泵浦不方便人為控制，這限制了拓?fù)浼す馄鞯陌l(fā)展，而電泵浦TL以其緊湊的尺寸和易于集成的優(yōu)點(diǎn)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(dāng)?shù)停趯?shí)際應(yīng)用中存在很大差距。因此，開(kāi)發(fā)一種提高電泵浦TL輸出功率的設(shè)計(jì)機(jī)制至關(guān)重要，也是未來(lái)研究拓?fù)浼す馄鞯闹匾厔?shì)之一。

研究團(tuán)隊(duì)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?fù)淝唬⊿MDC）設(shè)計(jì)。由于SMDC與有源區(qū)之間的強(qiáng)耦合，在非刻蝕有源區(qū)的弱折射率差情況下實(shí)現(xiàn)了魯棒的拓?fù)鋷чg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(yuǎn)場(chǎng)模式中得到了例證。同時(shí)，SMDC的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了單模面發(fā)射150mW的峰值功率。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高性能電泵浦TL與目前國(guó)際上報(bào)道的電泵浦太赫茲TL相比功率實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)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(dāng)。此外，器件具有渦旋偏振的遠(yuǎn)場(chǎng)，是理想的片上渦旋偏振光源。并且通過(guò)引入相位調(diào)制，在保持渦旋偏振特性的情況下，獲得了對(duì)稱性可調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)場(chǎng)。該工作為高性能電泵浦TL提供了一個(gè)新的研究思路與方法，推動(dòng)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(qiáng)研究員和北京量子信息科學(xué)研究院陸全勇研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科委等項(xiàng)目的支持。