面發(fā)射半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)效率突破

自問世以來，邊發(fā)射激光器（EEL）技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）不斷刷新紀錄，2006 年在 -50°C 溫度下達到 85% 的歷史最高效率。隨后，在 2007 年，EEL 在室溫下也達到了 76% 的高效率。然而，在隨后的 15 年里，再也沒有人創(chuàng)造新的效率記錄，這些成就一直是半導(dǎo)體激光器的巔峰。

相比之下，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的效率提高則較為緩慢。自 2009 年報告了 62% 的最高 PCE 以來，一直沒有重大突破，凸顯了 VCSEL 和 EEL 之間明顯的性能差距。作為一種微腔激光器，在光子學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效轉(zhuǎn)換一直是 VCSEL 面臨的挑戰(zhàn)。

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高效 VCSEL 在綠色能源光子學(xué)中的應(yīng)用前景

由于功率和效率較低，VCSEL 的早期應(yīng)用主要集中在小型、低功率消費電子產(chǎn)品和數(shù)據(jù)中心的短距離通信領(lǐng)域。近年來，隨著智能技術(shù)的發(fā)展，低功耗 VCSEL 已成為智能傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵核心光源芯片，在人臉識別和短距離傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著成效。

最近，先進人工智能技術(shù)的快速發(fā)展揭示了 VCSEL 在傳感、通信、原子鐘、光學(xué)/量子計算、拓撲激光和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的巨大潛力。特別是自動駕駛對遠距離傳感技術(shù)的需求、高速數(shù)據(jù)處理中心對人工智能計算能力的需求以及 VCSEL 在智能和量子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，都凸顯了能耗這一核心問題的重要性。

VCSEL 的能效對移動設(shè)備和數(shù)據(jù)中心的能耗有重大影響。因此，開發(fā)超高能效 VCSEL 對于支持未來智能時代終端設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要，并在推動綠色能源光子學(xué)的發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。

在發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上發(fā)表的一篇新論文中，四川大學(xué)電子信息學(xué)院及長光華芯的王俊教授研究團隊利用多結(jié)級聯(lián)有源區(qū)技術(shù)實現(xiàn)了 VCSEL 效率的突破。

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多結(jié)級聯(lián)垂直腔表面發(fā)射激光器的原理

通過采用反向隧道結(jié)實現(xiàn)有源區(qū)級聯(lián)，增益體積得以增加。這種設(shè)計策略允許載流子經(jīng)歷多個受激發(fā)射過程，從而不僅提高了器件的微分量子效率，而且保持了較低的閾值電流。

因此，近年來，大量研究人員利用多結(jié) VCSEL 實現(xiàn)了指數(shù)級功率增長，使 VCSEL 成為自動駕駛汽車激光雷達的可行激光源。然而，多結(jié) VCSEL 最大的潛在優(yōu)勢應(yīng)該是其顯著的效率提高。

因此，我們結(jié)合理論模擬和實驗進行了一項系統(tǒng)研究，以探討多結(jié) VCSEL 在電光轉(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢。

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半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率總結(jié)

研究小組模擬了多結(jié) VCSEL 的縮放特性，并與單結(jié) VCSEL 的縮放特性進行了比較。數(shù)值模擬表明，在環(huán)境溫度條件下，20 結(jié) VCSEL 的電光轉(zhuǎn)換效率可超過 88%。

在實驗中，15 結(jié) VCSEL 在室溫條件下的電光轉(zhuǎn)換效率達到 74%，斜率效率為 15.6 W/A，相當于超過 1100% 的差量子效率。研究人員認為，這一電光轉(zhuǎn)換效率是迄今為止 VCSEL 領(lǐng)域報告的最高效率，而這一差分量子效率也是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域報告的最高效率。

正如審稿人所說：“這的確是在一個長期停滯不前的領(lǐng)域取得的重大突破�！�

該研究的作者寫道：“未來，我們還計劃探索和拓展高效率、高功率多結(jié) VCSEL 在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。這項研究不僅為 VCSEL 的進一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了寶貴的理論和實驗依據(jù)，也為高 PCE 半導(dǎo)體激光器的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供了有價值的參考。它有望對綠色能源光子學(xué)和激光物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。”

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-04-surface-emitting-semiconductor-laser-efficiency.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01403-7