實現(xiàn)100w~1kw單模工作PCSEL的一般方法

1、工作原理

光子晶體面發(fā)射激光器(PCSELs)工作在二維(2D)光子晶體的奇異點(Γ點, M點等)，其晶格(如正方形，三角形)由空氣/半導體等兩種折射率對比度較大的材料組成。在這種高對比度晶格中，基本布洛赫波和高階布洛赫波都會相互耦合，形成穩(wěn)定的二維駐波(或諧振)模式。當工作點設置在Γ點時，可實現(xiàn)從光子晶體表面垂直發(fā)射。

請注意，PCSEL不同于2D分布式反饋(DFB)激光器，后者的周期結構中具有較小的折射率對比度，如半導體/半導體(即全半導體)，因此不能促進除基波之外的高階波之間的耦合；這種耦合的限制阻止了正方形晶格結構中最重要的TE模式的2D相干共振。這意味著由“全半導體”組成的PCSEL不能工作。

2、PCSEL的特點

由于二維廣域相干諧振，PCSEL的亮度B可以顯著提高。這里，亮度B定義為單位面積每單位立體角的光功率，與器件尺寸S成正比，與橫向模數(shù)m和n成反比。在傳統(tǒng)的FP半導體激光器中，當增大S以提高輸出功率時，會發(fā)生多模振蕩，m和n同時增大，因此，亮度B不能增加。同樣，在垂直腔面發(fā)射激光器中，由于同樣的原因，B不能增加。然而，在PCSEL中，由于m和n可以保持非常小(理想為零)，當S增加，亮度B跟著顯著增加；與光纖激光器相當?shù)牧炼?-10 GW/cm2/sr有望實現(xiàn)。

PCSEL的光束發(fā)散角小和對稱，光譜非常窄，理想情況下是單模，溫度依賴性小。PCSEL可以應用于LiDAR，不需要透鏡和機械旋轉；PCSEL可以直接用于激光加工。因此，PCSEL有望為智能移動和智能制造的發(fā)展做出貢獻。

3、 引入雙晶格光子晶體，進一步提高亮度

在雙晶格結構中較大和較小的晶格點結合在一起，位置偏差約為0.25a，其中a是晶格常數(shù)。在這種光子晶體結構中，由于兩個晶格衍射的光波具有半波長的光程差，因此，180度衍射發(fā)生了消光干涉。這種破壞性的干涉導致光場的分散。于是高階模的峰值靠近器件的邊緣，高階模被切斷。這實現(xiàn)了高光束質量和高亮度。

4、器件性能示例

在倒裝封裝的器件中，輸出光束從襯底側發(fā)射。從L-I曲線可以看到能實現(xiàn)10W的輸出功率和0.8W/a的高斜率效率。光束發(fā)散度非常小，達到了0.1度。

詳細特征如下所示。該器件在-40~100℃范圍內成功激射(注意測量溫度范圍受測量系統(tǒng)限制)，在固定電流注入下輸出功率的溫度依賴性平均為-0.36%/°C，與FP半導體激光器相當(甚至更好)。激光光譜的溫度依賴性表明，在-40 ~ 100℃范圍內實現(xiàn)了完全的單模振蕩。激光波長對溫度的依賴性小至0.08nm/°C，優(yōu)于FP 激光器。通過串聯(lián)方式引入三元陣列，可以提高斜率效率。

5、實現(xiàn)100w~1kw單模工作PCSEL的一般方法

通過進一步擴展上述雙晶格光子晶體的概念，最近推導出了PCSEL超大面積單模工作的一般方法。在這里，不僅考慮了沒有能量損失的光學耦合(厄米耦合)，還考慮了通過垂直輻射產生能量損失的耦合(非厄米耦合)，如下圖所示。已經(jīng)證明，通過合理降低兩個耦合系數(shù)，高階模的輻射損失可以比基模的輻射損失增加更多，同時保持兩個耦合系數(shù)之間的平衡，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的單模激光。此外，還成功地揭示了具有雙晶格光子晶體和背部反射鏡的PCSEL允許任意控制厄米和非厄米光學耦合系數(shù)，以實現(xiàn)超大激光直徑(≥310 mm)的100 w1 kw級單模激光。

6、高功能波束掃描PCSEL

作為一個高功能性的例子，基于PCSEL技術實現(xiàn)了非機械光束掃描。該功能對于超緊湊、可靠、穩(wěn)定的激光雷達系統(tǒng)非常重要。最近發(fā)明的“雙調制”PCSEL，其中晶格點的大小和位置是同時調制的。這使得包含發(fā)射方向的信息成為可能。通過將10×10個不同的雙調制pcsel集成在一個二維矩陣中，實現(xiàn)了一種基于雙調制光子晶體的電子二維光束掃描芯片，其中各個PCSEL可以獨立驅動。