进展 | 狄拉克涡旋拓扑光腔

拓扑光子学 开始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现，而另一种最常用的光学元件--光腔也可以利用拓扑缺陷态做出性能上的独特创新。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L01组陆凌研究员等人的团队，理论提出并且实验证实了一种全新的 拓扑光子晶体微腔 —— 狄拉克涡旋腔 ， 不但可以支持任意简并度的腔模 ， 而且是目前已知光腔中, 大面积单模性最好的 。这个拓扑光腔填补了半导体激光器在选模腔体设计上的空白，为下一代高亮度单模面发射器件提供了符合商用激光器 历史 规律的新发展方向，对激光雷达和激光加工等技术有潜在的积极意义。此项工作也是对拓扑物理应用出口的一次 探索 ，相关研究成果以“Dirac-vortex topological cavities”为题于2020年10月19日在线发表在Nature Nanotechnology杂志网站上（https://www.nature.com/articles/s41565-020-0773-7）， 相关专利也已获得授权。

半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广、易于集成和调制等优点被广泛应用于通信、加工、医疗和军事等领域。 其中单模器件因为其最理想的线宽和光束质量 ， 成为众多应用的首选 ， 而单模工作的关键是选模 ， 依靠的都是光子晶体结构 （图一）。比如整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器（Distributed Feedback: DFB，图1左上），早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是因为有两个带边模式相互竞争，导致单模输出不够稳定。教科书般的解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移，图1右上），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证了稳定单模工作。此外，现在广泛使用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别中的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL）的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而由于上述两种主流产品都是采用一维光子晶体来选模的，所以在其他两个没有周期结构的方向就因为没有选模机制而无法在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到了瓶颈。 一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构 ，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers: PCSEL，图1左下）的产品也已经在2017年由日本滨松公司成功推出，具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等多方面优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子(Q)的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样， 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 。

物理所的研究团队运用拓扑原理设计出了具有二维带间缺陷模式的光腔 。团队首先意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与很多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely, Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，并且原则上可以在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。团队通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出了这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片(SOI)上和光通信波段（1550nm）实现了这种狄拉克涡旋腔（图1右下）。 该腔可实现带间单模 、 任意多简并模式 、 最大的自由光谱范围 、 小远场发散角 、 矢量光场输出 、 模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等优良特性 。

最佳的大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的最独特优势 ，大面积单模性有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对于功率的需求永远在增长，已有产品在单模能量输出上已经达到瓶颈，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，而模式数量必然随着光腔的尺寸增加，让单模工作更加难以稳定维持，现在狄拉克涡旋腔的出现就是一个潜在的新技术路线。光腔的单模性可以用自由光谱范围（Free Spectral Range: FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）都和模式体积成反比（V -1 ），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V -1/2 ，图1右下），所以在同等模式体积下FSR远超普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）最大化（图2左）。

任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个独特的地方 ，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number: w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都是接近频率简并的，图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。

论文的通讯作者为物理所陆凌研究员，共同第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅（现为物理所博士后）和物理所博士生杨乐臣，其他作者为物理所博士生林浩、南开大学本科生张琅（现为耶鲁大学博士生）、清华大学高等研究院汪忠研究员、北京理工大学物理学院李家方教授（原物理所副研究员）和南开大学物理科学学院薄方教授，拓扑微腔的样品制备在中科院物理所微加工实验室完成，物理所博士后李广睿参与了工作的后期讨论。该工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303800, 2016YFA0302400），国家自然科学基金 (11721404)，中科院先导专项(XDB33000000)和北京市自然科学基金 (Z200008)等项目的支持。

不过可惜的是，就在近日，这个投资千亿的半导体项目迎来了最终落幕，不仅发出通知遣散所有员工，还要求全体员工必须在3月5日前完成办理离职手续。

当然，最可惜的还是那台完全未拆封，被抵押给银行的大陆唯一一台7nm高端光刻机！

其次，从人员上来说，弘芯半导体也是兵强马壮。

据悉，武汉弘芯半导体项目的技术总负责人乃是芯片界的大牛蒋尚义。此人乃是台积电前CTO（首席技术官），在台积电任职时间长达10年，是张忠谋的左膀右臂。

更重要的是，根据公开信息显示， 台积电90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、20纳米、6纳米等关键节点的研发都有蒋尚义的参与，得一蒋尚义胜过数百名芯片工程师。

然而现在呢？就在几个月前， 蒋尚义亲自证实在2021年1月1日正式加入中芯国际，并担任中芯国际副董事长一职。

由此还闹出了一场风波，梁孟松博士因蒋尚义突然空降，高调请辞，众网友大呼中芯国际“老糊涂”了。

按道理说兵强马壮的弘芯半导体项目怎么也能折腾出一点儿动静，怎么就突然烂尾了呢？1380亿的投资又都花到哪儿去了呢？

根据武汉《上半年东西湖区投资建设领域经济运行分析》文件披露，弘芯半导体项目的钱主要花在了以下两个方面。

1.人才投资。根据台媒消息， 武汉弘芯在2019年的时候便已经着手挖人，除去在6月份请来蒋尚义这么一位业内高人之外，年底的时候还联合山东泉芯开出高于台积电2.5倍的薪酬从台积电挖走了100多名资深工程师和半导体经理。

2.设备投资。设备方面， 除去一期生产线需要的300余套设备之外，更是通过各种关系引进了一台型号为TWINSCAN NXT：1980Di的高端光刻机 ，这种光刻机是大陆唯一一台可以生产7nm芯片的高端光刻机。当初该设备成功引进时，甚至还专门弄了一个声势浩大的进厂仪式（ 如今已被抵押给了武汉农商行，估值58180.86万元 ）。

3.厂房投资。据悉，仅是一期厂房投资就高达520亿， 主要生产厂房加研发大楼已经封顶或完成，总建筑面积高达39万平方米。 不过二期项目出了点问题， 由于一直没有完成土地调规和出让，以及缺少土地、环评等支撑材料，所以二期项目迟迟未能启动，以“烂尾”告终。

至此，负责人转投，高端设备抵押，二期工程“烂尾”，虽然武汉弘芯还没有完全解散，但是已经濒临彻底失败的边缘。

根据2月27日最新消息，武汉弘芯内部下达了一则正式通知，由于公司无复工复产计划，因此决定遣散所有员工，要求全体员工于2月28日下班前主动申请离职，并于3月5日前完成离职手续办理。即便是休假人员，也被要求线上办理。

值得注意的是，根据内部员工的透露，该消息的发出没有任何征兆，该员工所在的部门甚至还在为正式投产做准备。

此外还有一点需要注意， 按照通知中的说法，是要求全体员工自己主动提出离职申请，这是不是说明弘芯已经不打算支付遣散费用？还是说武汉弘芯的资金缺口已经到了连员工遣散费用都支付不起的地步了？

眼看他起高楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了。

不管怎样，这个历时3年有余的弘芯半导体项目算是迎来了最终落幕，只是可惜了那一台能够制造出7nm芯片的高端光刻机了。

如果是其他项目或厂商拿到这台高端光刻机，是不是就可以实现14nm，7nm高端芯片量产呢？

最后还是要说一句， 像芯片半导体这种国之重器，还是掌握在可信的人和公司手里比较好。

三位老师对当时还是大一萌新的我影响很大。

1、新传院胡翼青

新传院胡翼青老师的讲座和课都挺有意思的。老胡本人名声在外，各种怼令尔等学生叹为观止。之前听他在媒介课上讲述其大学时代的各种举止，真的是自愧不如。譬如，他曾为了其与同学一起创办报刊经费去找当时的财务负责人，要把院里经费都花去，惹得老师哭笑不得。

当然，胡老师对学生还是相当好的，让你无时无刻有一种学术道路注定艰苦但也注定值得的赶脚。

2、马克思主义学院温权

马克思主义学院的温权老师，我也很推荐。听到马克思主义原理大家可能就头大，但温泉老师就是能让你从中感受到其严密逻辑之佳，理论价值之高。害得我情不自禁翻开了以前从未想过会读的《政治经济学》,甚至一度想读哲学系。

3、心理咨询中心吴作富

上大学生心理健康课的吴作富老师，我一直记忆犹新。这节公选课也颠覆了我以往认为公选课=水课的认知。当时他初病愈，给我们看了电影《心灵捕手》，对于每个人的自我说的非常好。每个人可能都会患病，每个人可能都会有与他人情况不同的时刻，我们作为人类，作为人类中的一个单一个体，我们应该自以及如何认识自己。

吴老师不会在课上给你答案，但他会带着你，让你自己寻找答案。在上这个课的那段时间，其实我自己也处于刚上大学的迷茫期，我希望寻找自己的价值，希望能在学术、社交或是某一方面得到满足感。可能真的是不适应。而吴老师虽然只上了半个学期的课(前面半学期他生病，其他老师来上)，每一次的课都能对我有所启发，我很庆幸。

大学是一个充满机会、挑战的地方。遇见有趣、可敬的老师是很幸运的一件事。

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