文｜《中國科學報》記者韓揚眉

今年，中國科學院物理研究所研究員陸凌終於在「無人區」見到了「曙光」。

這一科研「無人區」是中國原創半導體器件。陸凌帶領團隊將自主原創的拓撲光腔應用於面發射半導體雷射晶片中，研製出拓撲腔面發射雷射器，從原理上突破了當下半導體雷射的技術瓶頸，具有遠超同類商用產品的指標和性能。

「我們正努力推進拓撲腔面發射雷射器的實用化。」陸凌相信，在中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃（以下簡稱青年團隊計劃）的支持下，中國原創半導體器件距離走進千家萬戶的那一天不會太久。

回國，坐標「無人區」

回國前，陸凌從事的是拓撲光子學研究。2014年，他為《自然-光子學》撰寫了「拓撲光子學」的同名綜述文章，首次提出了這一概念。2015年，他在該領域的相關工作獲評美國物理學會「年度八大進展」和歐洲物理學會「十大年度突破」。

回國後，老一輩科學家對陸凌提出了更高的要求，「做出一些有實用價值的工作」。

事實上，自1980年拓撲物理領域出現第一個標誌性實驗算起，至今已有42年，該領域誕生過3個諾貝爾獎。

「拓撲物理的魯棒性明顯可以用來改善器件的穩定性，這也是該領域科學家一直期盼的。」陸凌告訴《中國科學報》。然而，這一想法落實到具體原型器件上卻一直未能取得突破。

這恰恰也是陸凌所希望的突破。「一個領域想要有持久的生命力，必須進入社會方方面面，產生更大的影響力。」陸凌說。

半導體雷射器（晶片）在生活中無處不在，網際網路光纖通信、手機結構光人臉識別、自動駕駛的雷射雷達等應用背後都需要它作為光源。

這是陸凌最熟悉的器件，也是他博士論文的研究課題。從那時起，一個問題就開始在他腦海中浮現：「究竟什麼是最好的半導體雷射器？」

半導體雷射器因體積小、效率高、波長廣、價格低，是目前應用最廣和最受歡迎的雷射器，但是功率低和光束質量差極大限制了其應用場景。同時克服功率低和光束質量差的弱點，是半導體雷射器的技術瓶頸的關鍵突破口。

發現一個微妙的「聯繫」

一方面是基礎領域的應用難題，另一方面是主流器件的技術瓶頸，陸凌發現，兩者之間存在著一直都被忽視的聯繫。

對於半導體雷射晶片而言，單模器件因其最純的光譜和最高的光束質量，是眾多應用場景的首選，如光纖網際網路的光源「分布式反饋雷射器」和手機中用於人臉識別的「垂直腔面發射雷射器」。

然而，單模雷射器的核心難題在於如何選模，以便讓一個獨特的激射模式與其他所有模式做最大區分。

當下最優設計是在一維周期亞波長結構中引入一個特定缺陷，用這個缺陷態來保證穩定的單模激射。

若想繼續提高單模功率和光束質量，一個方案是採用二維微納結構（即光子晶體）在更大面積上來選模。

目前，由日本科學家研發的二維光子晶體面發射雷射器已有20多年歷史，具有高功率、窄發散角等多方面優勢。

不過，問題依然明顯存在：選模的設計依然在二周期結構的技術路線上慢慢演進，沒有一個全局穩定的最優解。

陸凌意識到，當前，主流產品中的一維缺陷設計其實是一種拓撲缺陷，其數學結構與拓撲物理中最簡單的一維模型完全一致，「也難怪這樣的設計會最穩定，背後其實隱藏著拓撲機制的『保護』」。

陸凌表示，這一微妙的聯繫似乎是40多年以來，來自拓撲物理和半導體雷射兩個領域的人都未曾認識到的，畢竟一維結構的設計和優化比較簡單，並不需要抽象的拓撲理論，但二維結構就不一樣了。

在充分領會這一聯繫後，二維結構的最優解呼之欲出。

陸凌找到了與一維情況相對應的二維拓撲缺陷模型，先在光子晶體中實現了所對應的拓撲光腔，再把它應用到半導體雷射晶片上……拓撲腔面發射雷射器終於孕育而生。

經過實驗室的首批測試，該雷射器在功率和發散角上多數量級地超越主流商用器件，這對於當下自動駕駛、虛擬實境所需的三維感知和雷射雷達等新興技術有重要意義。

「當前的半導體產業基本由西方發達國家引領，國內產業要麼被『卡脖子』，要麼產品落後。我們迫切需要一個由中國原創、具有顛覆性的下一代半導體核心光電器件。」陸凌說，這是他的目標。

對於學術，陸凌純粹且理想主義。「做有價值的研究」是他內心堅定的追求。

然而，回國6年來，不斷有學生希望加入課題組，卻在短暫停留後離開，陸凌心中五味雜陳。大多學生是被「嚇跑了」，因為他們擔心挑戰大、論文少、畢業晚……陸凌慢慢理解，「不是所有人都適合前往『無人區』」。

陸凌並不認為，做不出來就意味著失敗，「當你在嘗試解決一個重要問題時，某個方向走不通了也很有意義，比完成一個簡單的工作要有價值得多」。

「不過，做得好是要付出代價的。」陸凌說，要思考得更深入、做得更周全、瞄準更長遠的目標，甚至犧牲短期的利益，而這正是科研該有的樣子。

事實上，拓撲光腔並不是陸凌布局的唯一方向。回國後，他在相關領域方向多有規劃和嘗試，很多研究也在「孵化」中。

如今，有了青年團隊計劃的支持，與陸凌同行的年輕人逐漸穩定下來。

「我們不需要急於爭取各種項目，只需要與有志向的年輕人攜手合作，集中精力，專注攻關。」陸凌期待未來有更多願意迎接挑戰的人加入。

未來的道路還很長，拓撲腔面發射雷射器的極限在哪裡？它是否就是那個最好的半導體雷射器？其他方向是否還可以有更大的突破？這些問題都還有待探索。

不過，陸凌確信，拓撲腔面發射雷射器具有給現有光子學技術帶來變革的可能性。

他和團隊將與企業合作，努力開展拓撲腔面發射雷射器從樣品到商用的攻關，推動我國自主原創的半導體器件走進千家萬戶。