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電泵浦半導體激光器是光通信、光傳感和量子信息等領域不可或缺的核心器件；緊湊型半導體激光器對超大規模集成的高性能光子芯片具有重要的科學價值和應用意義。

實現緊湊型激光器根本在于減小光學腔內光學模式的體積模量的同時保持該光學模式的品質因子。平板光子晶體缺陷態形成于光子晶體帶隙中，具備極小的體積模量，被廣泛應用于低閾值半導體激光器。然而，光子晶體缺陷態容易受結構偏差影響，且輸出功率普遍較低。具有連續譜中的束縛態（極高品質因子的光子晶體帶邊模式）的平板光子晶體能夠有效提升激光器的輸出功率，并具備一定的魯棒性，然而其器件尺寸通常需要幾十上百個周期，以增強光學模式的面內局域性。

近年來，具備能帶拓撲特性的光子晶體結構是光子學的研究熱點。對具有特殊拓撲性質的光子結構而言，空間上的缺陷和無序只會引起局部參數變化，不影響該空間的全局性質。因此，集成光子拓撲態的半導體激光器實現了前所未有的魯棒性。然而，就電泵浦半導體激光器而言，在保證器件光學模式魯棒性的基礎上實現對激光器性能的提升，如光束賦形、極化調控、高功率輸出、大面積單模輸出等，一直是該領域的重要挑戰。

近日，新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院的Qi Jie Wang教授團隊及其合作者們通過構建拓撲能帶翻轉的體態連續譜中的束縛態（Bound states in the continuum，或BICs），在量子級聯激光芯片中同時實現全動態范圍內單模和矢量光場輸出的太赫茲量子級聯激光器。

相關成果以“Electrically-pumped compact topological bulk lasers driven by band-inverted bound states in the continuum”為題發表于Light: Science & Applications。新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院博士后韓松(現為浙江大學杭州國際科創中心和浙江大學信電學院研究員)為論文第一作者，博士后崔潔圓和博士研究生Yunda Chua為共同第一作者；南洋理工大學電氣與電子工程學院Qi Jie Wang教授為論文第一通訊作者，韓松為共同通訊作者。這項工作同時得到武漢大學曾永全教授，南洋理工大學虎良省博士和Chuan Sen Tan教授，英國利茲大學Lianhe Li博士、Alexander Giles Davies教授、和Edmund Harold Linfield教授，澳大利亞國立大學Yuri Kivshar教授等的支持。

如圖1a所示，拓撲體態BIC量子級聯激光器由拓撲非平庸光子晶體結構作為光學諧振腔，外圍包覆拓撲平庸光子晶體結構。由于不同的拓撲相，非平庸光子晶體結構中的光學模式不能跨越拓撲界面，形成光子晶體板面內模場局域。該光子晶體激光器單元結構在正六邊形晶格的中心和六個頂角刻蝕圓柱空氣孔洞。由于級聯量子阱上下覆蓋金屬，該拓撲光子晶體激發TM極化（面外電場）的能帶。拓撲非平庸光子晶體呈現能帶翻轉，其正交簡并的兩個四極子模式出現在低頻，如圖1d所示。

圖1. a、b 拓撲體態BIC激光器加工樣品圖和c 器件構造示意圖。a中N為非平庸光子晶體腔的橫向周期數。d 通過調節光子晶體六方晶格的孔洞大小，其體態帶邊模式呈現翻轉（即四極子模式出現在低頻），為拓撲非平庸相；e 反之則為拓撲平庸相。值得注意的是，該四極子模式在布里淵中心顯示出無窮大的品質因子。

值得注意的是，無論是拓撲平庸或非平庸能帶，其四極子模式在布里淵中心顯示出無窮大的品質因子，即連續譜中的束縛態。設計拓撲平庸光子晶體結構包覆非平庸光子晶體諧振腔，主要有以下幾個方面的優勢：

1. 拓撲平庸-非平庸拓撲相的差別使得諧振腔內的光學模式在面內維度實現高強度局域；

2. 體態BIC使得諧振腔內的光學模式在面外維度實現高強度局域，結合第一點，使得體態BIC具備最大化的增益競爭，保證激光器的單模輸出特性；

3. 光子晶體BIC具有遠場極化拓撲荷，使得激光輻射光場因此具備非平庸的矢量光斑特性；

4. 能帶翻轉的體態BIC出現在低頻處，可以進一步減小器件的尺寸。

圖2為拓撲體態BIC量子級聯激光器的實驗測量結果。實驗加工器件N=7，激光頻率在2.93 THz附近，激光器件的泵浦區域的橫向尺寸約為3個激光波長，如圖2b所示。激光器在全動態范圍內保持良好的單模輸出：在最大輸出條件下，其邊模抑制比可達20 dB，如圖2b、2c所示。實驗測得的遠場光斑具備矢量特性，即光場中心能量最弱，且在激光器和探測器中間插入線偏振片，光斑呈現穩定的隨偏振角變化的瓣狀分布，如圖2d所示。

圖2. a 實驗測量的光強-電流密度-電壓的連續變化曲線（L-I-V curves）。b 拓撲體態BIC激光器的單模特性，其在最強輸出時邊模抑制比可達20 dB。c 全動態泵浦范圍內的單模輸出。d 遠場光斑分布與矢量光場分析。

該研究有效地結合能帶翻轉的BIC和平庸-非平庸拓撲相同時實現垂直和水平方向維度的光場局域，從而獲得緊湊型的電泵浦太赫茲量子級聯激光器。由于能帶翻轉的體態BIC模式的品質因子最大且遠場具備極化拓撲特性，該激光器呈現全動態范圍內的單模激光和矢量光場輸出。此外，文章還探討了拓撲體態BIC在大尺度條件下的模場均一性、高功率單模輸出、以及高純度柱狀矢量光場輻射等特性。該成果有望成為6G無線通信中的核心有源器件，并在太赫茲超分辨成像、太赫茲激光雷達、和太赫茲生物化學傳感等相關領域有著重要的作用。

| 論文信息 |

Han, S., Cui, J., Chua, Y. et al. Electrically-pumped compact topological bulk lasers driven by band-inverted bound states in the continuum. Light Sci Appl 12, 145 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01200-8

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