拓扑激光器（TL）是利用拓扑光学原理设计和制造的激光器件，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。电泵浦拓扑激光器以其体积小、易于集成等优点成为近年研究热点，但基于电注入的拓扑激光器目前仍处于研究起步阶段，输出功率低，性能距离实际应用还存在很大差距。因此，开发一种提高电泵浦拓扑激光器输出功率的设计思路和技术方案至关重要。

近期，中国科学院半导体研究所刘峰奇研究员研究团队在高性能电泵浦拓扑激光器研发方面取得进展：研究团队创新性地引入了表面金属狄拉克拓扑腔（SMDC）设计（图1），将拓扑腔制备于表面金属层，保留了有源区的完整性，为实现高功率输出提供了足够增益，从而解决了有源区刻蚀限制电泵浦拓扑激光器功率提升的瓶颈问题；利用SMDC与有源区之间的强耦合作用，在低有效折射率差的情况下，通过优化吸收边和拓扑腔参数设计，实现了鲁棒的拓扑带间模式（Jackiw-Rossi零能模）工作，并在不同结构参数的拓扑激光器的鲁棒单模激光光谱和远场模式中得到了例证。

由于SMDC设计未破坏有源区，且SMDC结构具有高面辐射效率，该器件实现了150毫瓦的单模面发射峰值功率（图2）。此外，该器件具有涡旋偏振远场，通过引入相位调制，在保持拓扑激光器涡旋偏振特性的情况下，获得了对称性可调节的远场（图3），是一种理想的片上涡旋偏振光源。

该工作为高性能电泵浦拓扑激光器研发提供了新思路方案，对于推动高性能电泵浦拓扑激光器的发展和应用具有重要意义。

该成果以“High-power electrically pumped terahertz topological laser based on a surface metallic Dirac-vortex cavity”为题，5月24日发表于《自然-通讯》(Nature Communications)（DOI:10.1038/s41467-024-48788-y）。半导体所博士生刘俊鸿和博士生许云飞为论文共同第一作者，半导体所刘峰奇研究员、翟慎强研究员、张锦川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。

该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院青年促进会等项目的资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-48788-y。

图1 电泵浦THz SMDC TL器件结构

图2 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3 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。