拓?fù)涔庾訉W(xué)開始于拓?fù)溥吘墤B(tài)作為魯棒波導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，而另一種較常用的光學(xué)元件——光腔也可利用拓?fù)淙毕輵B(tài)做出性能上的創(chuàng)新。近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陸凌等人的研究團(tuán)隊(duì)與合作者，理論提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種新的拓?fù)涔庾泳�體微腔——狄拉克渦旋腔，不但可以支持任意簡并度的腔模，而且在目前已知光腔中，大面積單模性較好。這個(gè)拓?fù)涔馇皇拱雽?dǎo)體激光器在選模腔體設(shè)計(jì)上取得進(jìn)展，為下一代高亮度單模面發(fā)射器件提供符合商用激光器歷史規(guī)律的新發(fā)展方向，對激光雷達(dá)和激光加工等技術(shù)有潛在意義。該研究也是對拓?fù)湮锢響?yīng)用出口的一次探索，相關(guān)研究成果以Dirac-vortex topological cavities為題，在線發(fā)表在Nature Nanotechnology上，相關(guān)專利已獲得授權(quán)。 

半導(dǎo)體激光器因其體積小、效率高、壽命長、波長范圍廣以及易于集成和調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于通信、加工、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。其中，單模器件因其較為理想的線寬和光束質(zhì)量，成為眾多應(yīng)用的首選，而單模工作的關(guān)鍵是選模，依靠的均是光子晶體結(jié)構(gòu)（圖1）。如整個(gè)光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的光源是分布式反饋激光器（Distributed Feedback:DFB，圖1左上），早期的DFB激光器采用一維周期光柵結(jié)構(gòu)選模，但是兩個(gè)帶邊模式的相互競爭，導(dǎo)致單模工作較不穩(wěn)定。解決方案是引入一個(gè)缺陷（四分之一波長的相移，圖1右上），進(jìn)而在光子帶隙正中間產(chǎn)生一個(gè)缺陷模式，保證穩(wěn)定的單模工作。此外，現(xiàn)在廣泛用于近距離通訊、光電鼠標(biāo)、激光打印機(jī)和人臉識別的垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL）的諧振腔也同樣利用了帶間缺陷態(tài)來選模。然而，由于上述兩種主流產(chǎn)品均是采用一維光子晶體選模，因此其他兩個(gè)沒有周期結(jié)構(gòu)的方向就因沒有選模機(jī)制而難以在尺寸上超過波長量級，否則就會多模激射。器件尺寸上不去，單模功率也就遇到阻礙。一個(gè)自然的提高單模功率的方案是采用二維光子晶體結(jié)構(gòu)，而二維光子晶體面發(fā)射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL，圖1左下）的產(chǎn)品也已于2017年由日本濱松公司推出，其具有大面積單模輸出、高功率、窄發(fā)散角等優(yōu)勢，但PCSEL也至少有兩個(gè)高品質(zhì)因子（Q）的帶邊模式相互競爭。因此，如果能像一維主流產(chǎn)品DFB和VCSEL那樣，設(shè)計(jì)出魯棒的二維帶間缺陷模式，有可能成為未來高功率單模激光器的重要方向。 

狄拉克渦旋光腔即是這種具有二維帶間缺陷模式的拓?fù)涔馇�。研究團(tuán)隊(duì)意識到DFB及VCSEL中的一維缺陷態(tài)其實(shí)是拓?fù)涞�，與較多熟知的一維拓?fù)淠Ｐ拖嗟葍r(jià)，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。特別是高能物理中的一維Jackiw-Rebbi模式有直接的二維對應(yīng)，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的質(zhì)量渦旋解，且原則上可在凝聚態(tài)體系的蜂窩晶格中用廣義的Kekulé調(diào)制來實(shí)現(xiàn)（HCM模型）。研究人員通過渦旋調(diào)制狄拉克光子晶體設(shè)計(jì)出這種拓?fù)涔馇�，并且�?shí)驗(yàn)上在硅晶片（SOI）上和光通信波段（1550nm）實(shí)現(xiàn)這種狄拉克渦旋腔（圖1右下）。該腔可實(shí)現(xiàn)帶間單模、任意多簡并模式、最大的自由光譜范圍、小遠(yuǎn)場發(fā)散角、矢量光場輸出、模式面積從微米到毫米范圍可調(diào)以及多種襯底兼容等特性。 

　

圖1.狄拉克渦旋光腔與三種商用單模半導(dǎo)體激光腔的比較，這一發(fā)明符合產(chǎn)品的歷史趨勢，即從一維到二維，從邊發(fā)射到面發(fā)射，從周期結(jié)構(gòu)到拓?fù)淙毕菽Ｊ降陌l(fā)展

大面積單模性是狄拉克渦旋腔有別于其他已知光腔的優(yōu)勢，大面積單模性有利于提高單模激光器的功率和穩(wěn)定性。市場對于功率的需求不斷增長，已有產(chǎn)品在單模能量輸出上已達(dá)到瓶頸，需要新的思路。并且高功率和單模本身就是一對矛盾，因?yàn)楦吖β市枰�大面積的光腔，而模式數(shù)量會隨光腔的尺寸增加，讓單模工作難以穩(wěn)定維持。狄拉克渦旋腔便解決了這一傳統(tǒng)矛盾，實(shí)現(xiàn)較好的大面積下的單模性。光腔的單模性可用自由光譜范圍（Free Spectral Range:FSR）來表征，之前已知所有光腔的模式間距（FSR）均與模式體積成反比（V^-1），所以增大FSR的方法就是減小腔的體積。但是，狄拉克光腔的FSR與模式體系的根號成反比（V^-1/2，圖1右下），所以在同等模式體積下FSR超過普通光腔（大一到兩個(gè)數(shù)量級）。形成這一區(qū)別的原因是普通光腔中的光子態(tài)密度為一個(gè)非零常數(shù)，模式等間距排布；而狄拉克點(diǎn)頻率處的光子態(tài)密度等于零，兩邊的模式間距（FSR）得以最大化（圖2左）。此外，任意模式簡并度是狄拉克渦旋腔另一個(gè)較為獨(dú)特的地方，因?yàn)轶w系的拓?fù)洳蛔兞繛闇u旋的纏繞數(shù)（winding number:w），所以拓?fù)渲行那荒５臄?shù)量等于w，可以是任意正負(fù)整數(shù)，而且所有w個(gè)拓?fù)淠Ｊ蕉冀咏�頻率簡并，圖2右展示了w=+1,+2,+3的實(shí)驗(yàn)光譜。高度簡并光腔能降低多模激光的空間相干性，可用于激光照明技術(shù)中。 

　　

圖2.（左）狄拉克腔光譜隨著腔大小的演化和過偏振片后的遠(yuǎn)場光斑。（右）拓?fù)淝荒５臄?shù)量和簡并度等于渦旋的纏繞數(shù)w，圖中是w為1，2和3時(shí)的實(shí)驗(yàn)光譜 

論文通訊作者為陸凌，論文共同第一作者為南開大學(xué)與物理所聯(lián)合培養(yǎng)的博士生高曉梅（現(xiàn)為物理所博士后）和物理所博士生楊樂臣，論文其他作者為物理所博士生林浩、南開大學(xué)本科生張瑯（現(xiàn)為美國耶魯大學(xué)博士生）、北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方（原物理所副研究員）、南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授薄方以及清華大學(xué)高等研究院研究員汪忠。拓?fù)湮⑶坏臉悠分苽湓谖锢硭�微加工�?shí)驗(yàn)室完成，物理所博士后李廣睿參與工作的后期討論。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和北京市自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0773-7