狄拉克尺度能谷边缘模拓扑量子级联激光器：突破模式体积限制的拓扑保护新机制

《Nature Communications》：Topological quantum cascade laser with Dirac-scaled valley edge modes

为解决拓扑激光器中受拓扑保护的边界态模式体积受限、输出功率低的问题，研究人员开展了基于能谷霍尔效应的拓扑量子级联激光器研究。他们创新性地在拓扑界面引入具有狄拉克点简并的体态区域，成功将激光模式扩展为均匀分布的“狄拉克尺度拓扑模式”，实验证明该设计在保持拓扑保护的同时，显著提升了输出功率和对缺陷的鲁棒性。这项研究为开发高效率、高鲁棒性的拓扑光子器件开辟了新途径。

　　

在光子学领域，拓扑激光器代表了一种革命性的技术路径，它将拓扑物理的鲁棒性与激光原理相结合。其核心魅力在于利用拓扑绝缘体的边界态作为激光模式，理论上这种模式对器件的某些缺陷和扰动具有天生的“免疫力”，从而有望实现更稳定的激光输出。然而，这一诱人前景背后隐藏着一个根本性矛盾：拓扑保护依赖于光子拓扑绝缘体的体态特性，而作为边界态的激光模式却被限制在界面附近倏逝场分布，导致其有效模式体积非常小。这就像拥有一座坚固的堡垒（拓扑体态），但只有一条狭窄的通道（边界态）可供使用，大部分空间（体态区域）无法有效参与激光发射，极大地限制了激光器的输出功率和效率，成为制约拓扑激光器走向实际应用的瓶颈。

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL），特别是太赫兹频段的QCL，因其半导体特性和紧凑性，被认为是实现拓扑边界态激光的理想平台之一。在众多拓扑设计方案中，能谷光子晶体（Valley Photonic Crystal）尤为突出。能谷，指的是布里渊区高对称点附近能带的极值点，其自由度（Valley DOF）的调控为操控光提供了新维度。基于能谷霍尔效应（Valley-Hall Effect, VH）的拓扑激光器已经展示了其对缺陷的鲁棒性。但问题依旧：激光仅发生在被泵浦的边界模式区域，体态区域未被有效利用，功率提升有限。

为了解决这一核心挑战，发表在《Nature Communications》上的这项研究提出并验证了一种全新的拓扑激光器设计理念。研究团队没有拘泥于传统的边界态模式，而是独辟蹊径，在具有相反能谷陈数（Valley Chern Number）的两个拓扑光子域界面处，引入了一个额外的体态区域，该区域的特征是其光子能带结构存在无带隙的狄拉克点（Dirac Point）简并。这一设计巧妙地将传统的“能谷霍尔边界态”转变为“能谷霍尔体态”，同时保留了拓扑特性。由此产生的激光模式不再是局域在界面的传统拓扑边界模，而是一种均匀扩展到整个狄拉克体态区域的杂化模式，研究者将其命名为“狄拉克尺度拓扑模式”（Dirac-scaled topological mode）。这种模式体积的显著扩大，直接带来了输出功率的数量级提升，并增强了激光模式对与模式尺寸相当的缺陷的抵抗能力。

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于能谷霍尔效应的光子晶体能带结构设计；采用电子束光刻和反应离子刻蚀（RIE）技术制备太赫兹量子级联激光器的双金属光子晶体结构；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）在低温（8.5-9.5 K）环境下对器件进行光谱和光电流电压（LIV）特性表征；利用 strategically 放置的波长尺寸缺陷作为内禀探针，结合金属盖板局部遮蔽技术，分析激光模式的空间均匀性和鲁棒性。

模式均匀性

为了验证狄拉克尺度VH模式的空间均匀性，研究人员设计并制备了参数为D_Dirac=6, N_Defect=3的腔体（即波导宽度由6个狄拉克晶格单元构成，腔内包含3个缺陷）。模拟结果显示，除了缺陷紧邻区域外，VH模式在腔体内均匀分布，没有在其他区域出现局域化。实验上，通过金属盖板选择性测量单个缺陷的散射发射光谱，发现尽管缺陷位置随机，但从不同缺陷测得的发射光谱和强度几乎完全相同。这为激光模式在波导内具有空间均匀性和循环特性提供了直接证据。

功率缩放

模式体积的扩大直接带来了激光功率的提升。研究人员制备并比较了D_Dirac=0, 3, 6三种不同缩放程度的腔体。实验测量的光电流电压（LIV）曲线表明，随着腔体从D_Dirac=0缩放至D_Dirac=6，其表面发射强度增加了超过10倍。这一性能改善直接归因于缩放后的激光模式与QCL有源区相互作用增强。

狄拉克尺度腔体中的模式鲁棒性

与时间反演对称性破缺的系统不同，能谷光子晶体由于存在由缺陷引起的能谷间散射（intervalley scattering）可能性，其固有鲁棒性相对较弱。为了进行对照，研究人员设计了D_Dirac=0, N_Defect=3的非缩放腔体。模拟显示，在这种非缩放腔体中，缺陷足以改变模式的光路，导致归一化电场不再均匀分布，在不同腔体区域强度变化很大。实验上，从不同缺陷测得的散射发射在光谱特性和发射强度上均表现出显著的不一致性。此外，研究还设置了对照组，将内部三角形腔体材料替换为狄拉克材料本身（即移除能谷霍尔物理），此时主导的激光态变为局域的缺陷模，同样观察到了光谱和强度的不一致模式。这组对照实验强调，拓扑保护对于本设计中观察到的鲁棒且扩展的激光至关重要，而仅靠狄拉克体态本身无法产生可比拟的性能。

本研究成功制备并系统表征了一系列具有不同波导缩放程度和缺陷数量的能谷霍尔激光腔。通过策略性地引入面内散射体（缺陷）并分析其影响，验证了在由狄拉克晶格形成的波导区域内，激光模式沿波导方向和横跨波导方向都是均匀分布的。这种空间均匀性强有力地表明了狄拉克尺度VH模式的存在。更重要的是，器件的测量输出功率随着腔体面积的缩放而显著增加。与非缩放腔体以及仅含狄拉克体态的腔体设计相比，缩放腔体不仅实现了更高的发射功率，而且在变化条件下维持激光模式性能方面也表现出色。

这项研究成功地解决了拓扑激光器设计中模式体积受限与拓扑保护需求之间的根本矛盾。通过引入狄拉克尺度体态区域，将拓扑边界模有效地扩展为分布均匀的体态模式，在不牺牲拓扑鲁棒性的前提下，实现了激光功率的数量级提升和对缺陷的更强抵抗力。该成果不仅深化了对拓扑光子态调控的理解，而且为开发下一代高性能、高可靠性的拓扑光子器件，特别是在太赫兹集成光子回路、传感、通信等领域的应用，奠定了坚实的基础，标志着拓扑激光器从概念验证向实用化迈出了关键一步。