进展|狄拉克涡旋拓扑光学腔
半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长、波长范围宽、易于集成和调制等优点，广泛应用于通信、加工、医疗和军事领域。其中，单模器件因其理想的线宽和光束质量成为许多应用的首选，而单模工作的关键是模式选择，模式选择依赖于光子晶体结构(图1)。例如，整个光纤互连网络的光源是分布反馈激光器(DFB，图1，左上)。早期的DFB激光器使用一维周期光栅结构来选择模式，但由于两个边带模式相互竞争，单模输出不够稳定。教科书式的解决方案是引入一个缺陷(四分之一波长相移，图1右上方)，然后在光子带隙中间产生一个缺陷模，从而保证稳定的单模运转。此外，广泛应用于短距离通信、光学鼠标、激光打印机和人脸识别的垂直腔面发射激光器(VCSELs)的谐振腔也是利用带间缺陷态来选模的。但由于上述两种主流产品都是用一维光子晶体来选模，所以在没有周期结构的情况下，在其他两个方向上，尺寸都不能超过波长量级，因为没有选模机制，否则就是多模激射。如果器件尺寸不上去，单模功率就会遇到瓶颈。提高单模功率的一种自然方案是采用二维光子晶体结构，二维光子晶体面发射激光器的产品(PCSEL，图1，左下)已由日本滨松公司于2017年成功发射，具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等诸多优点，但PCSEL也至少有两个高角度。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL一样设计出鲁棒的二维带间缺陷模式，有可能成为未来高功率单模激光器的主流方向。
物理所研究团队利用拓扑原理设计了一个二维带隙缺陷模式的光学谐振腔。该团队首先意识到DFB和VCSEL中的一维缺陷态实际上是拓扑的，它相当于许多知名的一维拓扑模型，包括Shockely、Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模，有一个直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模，它是Dirac方程的质量涡旋解，原则上可以在凝聚态系统(HCM模型)的蜂窝晶格中通过广义凯库勒调制实现。团队通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计了这种拓扑光腔，并在硅片(SOI)和光通信波段(1550nm)实验实现了这种狄拉克涡旋腔(图1，右下)。该腔可以实现波段间单模、任意多简并模式、最大自由光谱范围、小远场发散角、矢量光场输出、模式面积从微米到毫米可调、兼容多种衬底等优良特性。
最佳大面积单模是狄拉克涡旋腔区别于其他已知光学腔的最独特优势。大面积单模有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对电力的需求总是在增长，现有的产品在单模能量输出上已经到了瓶颈，这就需要新的思路。而且高功率和单模本身就是一对矛盾，因为高功率需要大面积的光腔，而模式的数量必然会随着光腔的大小而增加，使得稳定维持单模运转更加困难。现在狄拉克涡腔的出现是一条潜在的新技术路线。光学腔的单态性可以由自由光谱范围来表征:FSR。众所周知，所有光学腔的模式间距(FSR)与模式体积(V -1)成反比，因此增加FSR的方法是减少腔体积。而狄拉克光腔的FSR与模式系统的根号成反比(V -1/2，图1右下)，所以在相同的模式体积下，FSR远远高于普通光腔(大一两个数量级)。产生这种差异的原因是普通光腔中的光子态密度为非零常数，模式等间隔排列；然而，狄拉克点频率下的光子态密度等于零，两侧的模式间距(FSR)最大化(图2，左)。
任意模式的简并是狄拉克涡旋腔的另一个独特特征。由于系统的拓扑不变量是涡旋的缠绕数(w)，拓扑中心腔中的模数等于w，可以是任意正整数或负整数，所有w个拓扑模都接近频率简并。w=+1，+2，+3的实验光谱显示在图2的右边。高度简并光学腔可以降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术。
论文通讯作者为物理所吕玲研究员，第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅(现物理所博士后)和物理所博士生杨。其他作者有物理研究所博士生林浩、南开大学本科生张郎(现为耶鲁大学博士生)、清华大学高等研究院研究员王中、北京理工大学物理研究所副研究员李家芳、南开大学物理科学学院教授方博。拓扑微腔的样品制备在中科院物理所微加工实验室完成，物理所博士后李光睿参与了工作的后期讨论。该工作获得了国家重点研发计划(2017yfa0303800、2016yfa0302400)、国家自然科学基金(11721404)、中科院先导项目(XDB33000000)和北京市。