Рис. 1. Сравнение TCSEL с обычными коммерческими одномодовыми полупроводниковыми лазерами. Предоставлено: Институт физики

Полупроводниковые лазеры являются наиболее широко используемыми лазерами благодаря их компактным размерам, высокой эффективности, низкой стоимости и широкому спектру. Но они имеют низкую выходную мощность и низкое качество луча — две характеристики, которые трудно улучшить одновременно. Например, хотя резонатор большего размера увеличивает мощность, он поддерживает больше режимов генерации, что снижает качество луча.

Ранее топологическая полость в виде вихря Дирака была продемонстрирована группой L01 в Институте физики Китайской академии наук (CAS) под руководством профессора Лу Линга. Он предлагает лучший одномодовый выбор на самой большой площади. Эта конструкция резонатора была предложена для преодоления вышеупомянутых узких мест полупроводниковых лазеров и одновременного улучшения выходной мощности и качества пучка.

Недавно та же команда применила свой топологический резонатор к лазерам с поверхностным излучением и изобрела лазер с поверхностным излучением с топологическим резонатором (TCSEL), характеристики которого могут намного превосходить характеристики коммерческих аналогов.

Согласно их отчету, опубликованному в Nature Photonics, TCSEL обеспечивает пиковую мощность 10 Вт, расходимость луча в субградусы, коэффициент подавления боковой моды 60 дБ и двумерную (2D) многоволновую решетку с генерацией на длине волны 1550 нм — наиболее важной - безопасная для глаз длина волны. Он также может работать в любом другом диапазоне длин волн и перспективен для широкого круга приложений, включая LiDAR для распознавания лиц, самостоятельного вождения и виртуальной реальности.

Исследователи сравнили TCSEL со стандартными промышленными продуктами одномодовых полупроводниковых лазеров. Лазер с краевым излучением с распределенной обратной связью (DFB), используемый в интернет-коммуникациях, а также лазер с поверхностным излучением с вертикальной полостью (VCSEL), обеспечивающий распознавание лиц с помощью мобильного телефона , используют режим среднего зазора в своих оптимизированных конструкциях резонаторов 1D. TCSEL продолжает этот успешный путь, реализуя 2D-версию топологического режима среднего зазора, который больше подходит для планарного процесса на полупроводниковых кристаллах.

Рис. 2. Производительность TCSEL и массив. Предоставлено: Институт физики

Одномодовое излучение с большой площадью является уникальной особенностью TCSEL, которая улучшает (>10 Вт) и расходимость луча (<1°). Напротив, выходная мощность коммерческого DFB обычно составляет порядка десятков мВт, а выходная мощность одного VCSEL составляет несколько мВт; типичный угол расходимости поверхностного излучения составляет 20°, а пучок краевого излучателя, как правило, хуже.

По снимкам оптического микроскопа и сканирующей электронной микроскопии диаметром 500 мкм отчетливо видна знаковая вихревая структура из вихревой полости Дирака. Дальнее поле TCSEL представляет собой векторный луч с радиальной поляризацией. Важно отметить, что такое узкое расхождение (менее 1°) TCSEL без коллимирующих линз может уменьшить размер, сложность и стоимость системы в таких системах, как 3D-зондирование.

Кроме того, гибкость длины волны является еще одной уникальной особенностью TCSEL, такой как возможность создания монолитных 2D-массивов с несколькими длинами волн. Для сравнения, в VCSEL обычно отсутствует возможность перестройки длины волны, поскольку вертикальный резонатор, определяющий длину волны генерации, выращен эпитаксией. Хотя DFB-лазер может регулировать длину волны, он может создавать только одномерную многоволновую решетку для краевого излучения.

Напротив, длина волны TCSEL может быть произвольно отрегулирована в процессе плоского изготовления. На рис. 2 (справа) при изменении постоянной решетки соответствующая длина волны лазера изменяется линейно от 1512 нм до 1616 нм. Каждый лазер в двумерной решетке стабильно работает в одном режиме с коэффициентом подавления боковых мод более 50 дБ. Двумерные многоволновые массивы TCSEL могут потенциально улучшить технологию мультиплексирования с разделением по длинам волн для передачи сигналов с высокой пропускной способностью и приложений многоспектрального зондирования.

Топологическая физика была в центре внимания фундаментальных исследований с момента открытия квантового эффекта Холла и была удостоена трех Нобелевских премий по физике (1985, 1998, 2016). Хотя топологическая устойчивость может значительно улучшить стабильность и технические характеристики устройства, применение топологической физики остается труднодостижимым. TCSEL может изменить ситуацию.