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(diǎn)(Γ點(diǎn), M點(diǎn)等),其晶格(如正方形,三角形)由空氣/半導(dǎo)體等兩種折射率對(duì)比度較大的材料組成。在這種高對(duì)比度晶格中,基本布洛赫波和高階布洛赫波都會(huì)相互耦合,形成穩(wěn)定的二維駐波(或諧振)模式。當(dāng)工作點(diǎn)設(shè)置在Γ點(diǎn)時(shí),可實(shí)現(xiàn)從光子晶體表面垂直發(fā)射。
請(qǐng)注意,PCSEL不同于2D分布式反饋(DFB)激光器,后者的周期結(jié)構(gòu)中具有較小的折射率對(duì)比度,如半導(dǎo)體/半導(dǎo)體(即全半導(dǎo)體),因此不能促進(jìn)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(jié)構(gòu)中最重要的TE模式的2D相干共振。這意味著由“全半導(dǎo)體”組成的PCSEL不能工作。
2、PCSEL的特點(diǎn)
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(dǎo)體激光器中,當(dāng)增大S以提高輸出功率時(shí),會(huì)發(fā)生多模振蕩,m和n同時(shí)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(dāng)S增加,亮度B跟著顯著增加;與光纖激光器相當(dāng)?shù)牧炼?-10 GW/cm2/sr有望實(shí)現(xiàn)。
PCSEL的光束發(fā)散角小和對(duì)稱,光譜非常窄,理想情況下是單模,溫度依賴性小。PCSEL可以應(yīng)用于LiDAR,不需要透鏡和機(jī)械旋轉(zhuǎn);PCSEL可以直接用于激光加工。因此,PCSEL有望為智能移動(dòng)和智能制造的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
3、 引入雙晶格光子晶體,進(jìn)一步提高亮度
在雙晶格結(jié)構(gòu)中較大和較小的晶格點(diǎn)結(jié)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(jié)構(gòu)中,由于兩個(gè)晶格衍射的光波具有半波長(zhǎng)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(dǎo)致光場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了高光束質(zhì)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(cè)發(fā)射。從L-I曲線可以看到能實(shí)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(dá)到了0.1度。
詳細(xì)特征如下所示。該器件在-40~100℃范圍內(nèi)成功激射(注意測(cè)量溫度范圍受測(cè)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(dǎo)體激光器相當(dāng)(甚至更好)。激光光譜的溫度依賴性表明,在-40 ~ 100℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全的單模振蕩。激光波長(zhǎng)對(duì)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(shí)現(xiàn)100w~1kw單模工作PCSEL的一般方法
通過進(jìn)一步擴(kuò)展上述雙晶格光子晶體的概念,最近推導(dǎo)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(xué)耦合(厄米耦合),還考慮了通過垂直輻射產(chǎn)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(gè)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(shí)保持兩個(gè)耦合系數(shù)之間的平衡,可以實(shí)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(xué)耦合系數(shù),以實(shí)現(xiàn)超大激光直徑(≥310 mm)的100 w1 kw級(jí)單模激光。
6、高功能波束掃描PCSEL
作為一個(gè)高功能性的例子,基于PCSEL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非機(jī)械光束掃描。該功能對(duì)于超緊湊、可靠、穩(wěn)定的激光雷達(dá)系統(tǒng)非常重要。最近發(fā)明的“雙調(diào)制”PCSEL,其中晶格點(diǎn)的大小和位置是同時(shí)調(diào)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(gè)不同的雙調(diào)制pcsel集成在一個(gè)二維矩陣中,實(shí)現(xiàn)了一種基于雙調(diào)制光子晶體的電子二維光束掃描芯片,其中各個(gè)PCSEL可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。
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