半導體激光器具有體積小、效率高、壽命長、波長範圍寬、易於集成和調制等優點，廣泛應用於通信、加工、醫療和軍事領域。其中，單模器件因其理想的線寬和光束質量成為許多應用的首選，而單模工作的關鍵是模式選擇，模式選擇依賴於光子晶體結構(圖1)。例如，整個光纖互連網絡的光源是分布反饋激光器(DFB，圖1，左上)。早期的DFB激光器使用壹維周期光柵結構來選擇模式，但由於兩個邊帶模式相互競爭，單模輸出不夠穩定。教科書式的解決方案是引入壹個缺陷(四分之壹波長相移，圖1右上方)，然後在光子帶隙中間產生壹個缺陷模，從而保證穩定的單模運轉。此外，廣泛應用於短距離通信、光學鼠標、激光打印機和人臉識別的垂直腔面發射激光器(VCSELs)的諧振腔也是利用帶間缺陷態來選模的。但由於上述兩種主流產品都是用壹維光子晶體來選模，所以在沒有周期結構的情況下，在其他兩個方向上，尺寸都不能超過波長量級，因為沒有選模機制，否則就是多模激射。如果器件尺寸不上去，單模功率就會遇到瓶頸。提高單模功率的壹種自然方案是采用二維光子晶體結構，二維光子晶體面發射激光器的產品(PCSEL，圖1，左下)已由日本濱松公司於2017年成功發射，具有大面積單模輸出、高功率、窄發散角等諸多優點，但PCSEL也至少有兩個高角度。因此，如果能像壹維主流產品DFB和VCSEL壹樣設計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主流方向。
物理所研究團隊利用拓撲原理設計了壹個二維帶隙缺陷模式的光學諧振腔。該團隊首先意識到DFB和VCSEL中的壹維缺陷態實際上是拓撲的，它相當於許多知名的壹維拓撲模型，包括Shockely、Jackiw-Rebbi和SSH模式。特別是高能物理中的壹維Jackiw-Rebbi模，有壹個直接的二維對應，即Jackiw-Rossi模，它是Dirac方程的質量渦旋解，原則上可以在凝聚態系統(HCM模型)的蜂窩晶格中通過廣義凱庫勒調制實現。團隊通過渦旋調制狄拉克光子晶體設計了這種拓撲光腔，並在矽片(SOI)和光通信波段(1550nm)實驗實現了這種狄拉克渦旋腔(圖1，右下)。該腔可以實現波段間單模、任意多簡並模式、最大自由光譜範圍、小遠場發散角、矢量光場輸出、模式面積從微米到毫米可調、兼容多種襯底等優良特性。
最佳大面積單模是狄拉克渦旋腔區別於其他已知光學腔的最獨特優勢。大面積單模有利於提高單模激光器的功率和穩定性。市場對電力的需求總是在增長，現有的產品在單模能量輸出上已經到了瓶頸，這就需要新的思路。而且高功率和單模本身就是壹對矛盾，因為高功率需要大面積的光腔，而模式的數量必然會隨著光腔的大小而增加，使得穩定維持單模運轉更加困難。現在狄拉克渦腔的出現是壹條潛在的新技術路線。光學腔的單態性可以由自由光譜範圍來表征:FSR。眾所周知，所有光學腔的模式間距(FSR)與模式體積(V -1)成反比，因此增加FSR的方法是減少腔體積。而狄拉克光腔的FSR與模式系統的根號成反比(V -1/2，圖1右下)，所以在相同的模式體積下，FSR遠遠高於普通光腔(大壹兩個數量級)。產生這種差異的原因是普通光腔中的光子態密度為非零常數，模式等間隔排列；然而，狄拉克點頻率下的光子態密度等於零，兩側的模式間距(FSR)最大化(圖2，左)。
任意模式的簡並是狄拉克渦旋腔的另壹個獨特特征。由於系統的拓撲不變量是渦旋的纏繞數(w)，拓撲中心腔中的模數等於w，可以是任意正整數或負整數，所有w個拓撲模都接近頻率簡並。w=+1，+2，+3的實驗光譜顯示在圖2的右邊。高度簡並光學腔可以降低多模激光的空間相幹性，可用於激光照明技術。
論文通訊作者為物理所呂玲研究員，第壹作者為南開大學與物理所聯合培養的博士生高曉梅(現物理所博士後)和物理所博士生楊。其他作者有物理研究所博士生林浩、南開大學本科生張郎(現為耶魯大學博士生)、清華大學高等研究院研究員王中、北京理工大學物理研究所副研究員李家芳、南開大學物理科學學院教授方博。拓撲微腔的樣品制備在中科院物理所微加工實驗室完成，物理所博士後李光睿參與了工作的後期討論。該工作獲得了國家重點研發計劃(2017yfa0303800、2016yfa0302400)、國家自然科學基金(11721404)、中科院先導項目(XDB33000000)和北京市。