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CAS 研究人员发现拓扑腔面发射激光器

由于体积小、效率高、价格低、光谱范围广,半导体激光器是我们日常生活中应用最广泛的激光器。然而,它们具有低输出功率和较差的光束质量——这两个特性难以同时增强。例如,更大的腔体可以提高功率,但也支持更多的激光模式,这会降低光束质量。

CAS 研究人员发现拓扑腔面发射激光器。
图1。 TCSEL 与主流商用单模半导体激光器的比较。图片来源:物理研究所

L01组在 中国科学院’ 由陆凌教授领导的物理研究所(CAS)之前建立了一个新的腔体,称为“狄拉克涡旋拓扑腔体”,它可以在最广泛的区域内提供最佳的单模选择。这种腔体结构的开发是为了解决上述半导体激光器的限制,同时提高输出功率和光束效率。

同一组最近将他们的拓扑腔扩展到表面发射激光器,创建了拓扑腔表面发射激光器 (TCSEL),其性能优于商业替代品。

TCSEL 产生 10 W 峰值功率、亚度光束发散度、60 dB 边模抑制比、二维 (2D) 多波长阵列和 1,550 nm 激光——最关键的通信和人眼安全波长。它还可以在任何其他波长范围内工作,使其适用于广泛的应用,例如用于面部识别的激光雷达、自动驾驶汽车和虚拟现实。

该研究发表在期刊上 自然光子学.

研究人员将 TCSEL 与工业中使用的传统单模半导体激光器进行了比较。在他们优化的一维谐振腔设计中,用于互联网通信的分布式反馈 (DFB) 边缘发射激光器和用于手机人脸检测的垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 均采用中间隙模式。

TCSEL 正在开发更适合半导体芯片平面工艺的 2D 版拓扑中间间隙模式。

TCSEL 具有称为大面积单模的独特特性,可提高功率 (>10 W) 和光束发散角 (<1°)。单个 VCSEL 的产量为几 mW,而商用 DFB 的输出约为几十 mW——通常的表面发射发散角为 20°,而边缘发射器的光束一般较差。

根据直径为500 m的光学显微镜和扫描电镜照片,可以清楚地看到Dirac-涡旋腔独特的涡结构。 TCSEL 远场是径向偏振矢量光束。值得注意的是,在没有准直透镜的情况下,TCSEL 如此微小的发散角(低于 1°)可以最大限度地减小系统的尺寸、复杂性和成本,例如 3D 传感。

TCSEL 的另一个显着特点是它的波长适应性,它允许单片二维多波长阵列。相比之下,由于决定激光波长的垂直腔是外延凸起的,VCSEL通常缺乏波长配置。虽然DFB激光器的波长可以调节,但它只能完成一维多波长阵列的边缘发射。

另一方面,TCSEL 可以在平面制造过程中随意改变其波长。随着晶格常数的变化,图 2 中的匹配激光波长从 1,512 nm 线性变化到 1,616 nm。每个二维阵列激光器以单模运行,边模抑制比高于 50dB。

用于大容量信号传输和多光谱传感应用的波分复用技术可以受益于二维多波长 TCSEL 阵列。

自量子霍尔效应出现以来,拓扑物理学一直是基础研究的中心,曾获得三项诺贝尔物理学奖(1985、1998、2016)。尽管拓扑弹性具有显着提高器件稳定性和参数的潜力,但拓扑物理尚未实现。 TCSEL 有可能改变一切。

中科院、北京市自然科学基金委、中国科技部和国家自然科学基金委均对此项研究做出了贡献。

期刊参考:

杨, L., 等人. (2022) 拓扑腔面发射激光器。 自然光子学. doi.org/10.1038/s41566-022-00972-6.

来源: //english.cas.cn/

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