拓扑激光器 (TL) 因其对模式扰动或缺陷的稳健性而受到广泛关注。其中，电泵浦 TL 因其体积小、易于集成等优势而引起了广泛的研究兴趣。然而，在太赫兹 (THz) 和电信波长范围内，对电泵浦 TL 的研究报道有限，且输出功率相对较低，与实际应用之间存在很大差距。在这里，我们引入了一种表面金属狄拉克涡旋腔 (SMDC) 设计，以解决 THz 光谱范围内电泵浦 TL 功率增加的困难。由于 SMDC 与有源区之间的强耦合，获得了稳健的 2D 拓扑缺陷激光模式。更重要的是，SMDC提供的足够的增益和大的辐射效率使输出功率提高到最大峰值功率150mW，证明了电泵浦TL的实际应用潜力。
近年来，拓扑激光器(TL)因其拓扑保护模式不受扰动或缺陷的影响而受到广泛研究，从而大大提高了激光稳定性;因此，TL 有望成为未来光子集成芯片的光源候选者。到目前为止，已经基于不同的拓扑现象展示了各种 TL，例如量子霍尔效应量子自旋霍尔效应量子谷霍尔效应和高阶拓扑。此外，拓扑边缘或零模式的激光发射已通过一维 Su–Schrieffer–Heeger (SSH) 态拓扑角态和二维拓扑缺陷态实现。具体而言，基于光子带隙中间的拓扑零模式，Lu等人展示了性能优异的拓扑腔面发射激光器 (TCSEL);该 TCSEL 展示了 TL 性能改进的巨大空间。然而，所有这些已报道的器件都是基于光泵浦的，需要庞大的外部泵浦装置。因此，需要开发能够将电能直接转换为光的紧凑型电泵浦 TL。
在太赫兹 (THz) 和电信波长范围内，关于电泵浦 TL 20、21、22 的研究报告有限;此外，它们的输出功率仍然很低，与实际应用之间存在很大差距。例如，参考文献21证明了估计的最大峰值功率为 9.04 mW在基于马约拉纳零模式 (MZM) 的光子模拟的电泵浦 THz TL 中。要实现电泵浦 TL，需要有效的载流子注入和大模式限制。因此，所有这些报道的器件的有源区都经过图形蚀刻，以引入高折射率对比度以实现强模式限制。这导致有源区减弱导致增益大幅下降，蚀刻侧壁表面不平整导致光散射强烈，从而难以提高功率。此外，深图形蚀刻工艺也使制造工艺复杂化并增加了器件成本，阻碍了实际应用的推进。
这里，我们展示了基于表面金属狄拉克涡旋腔 (SMDC) 设计的 THz 光谱范围内的高功率电泵浦 TL。由于狄拉克涡旋腔是在表面金属层中设计和制造的，因此该器件在稳健的 2D 拓扑缺陷激光模式下运行;该模式是基于狄拉克方程23的零模式解的 Jackiw-Rossi 零模式具有质量涡旋的THz SMDC激光器。由于双金属波导结构具有足够的耦合强度，数值模拟出3%的SMDC带隙宽度，从而能够实现稳定的拓扑模式激光发射。此外，由于采用表面狄拉克涡旋拓扑腔设计，有源区是非破坏性的，从而确保了足够大的增益以实现高输出功率。THz SMDC激光器表现出稳定的单模THz表面发射，最大峰值功率为150mW。与之前报道的同等尺寸的电泵浦THz激光器相比，这个值提高了一个数量级，接近其他一般类型的单芯片面发射THz激光器的最佳结果24、25具有单模操作。原则上，这种在表面波导层中设计拓扑腔而不中断有源区的方法也适用于其他波长范围的半导体激光器，例如近红外和中红外波长，只要实现足够的折射率对比度即可。此外，通过引入非均匀相位分布可以获得可调节的远场模式，同时保持光谱和矢量偏振特性不变;因此，由于简化了器件工艺，我们的研究提供了一种通过拓扑光子学来调整远场模式的有效而方便的方法。
