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。
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。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。
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。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上和光通信波段实现了这种狄拉克涡旋腔。
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。