Kürzlich hat ein Halbleiterlaserteam, bestehend aus der School of Interdisciplinary Sciences der National University of Defense Technology und Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., erhebliche Fortschritte in der Forschung zu zweifarbigen Halbleiterlasern erzielt. Die Ergebnisse mit dem Titel „Monolithischer 960/1000-nm-Bi--Halbleiterscheibenlaser liefert eine Helligkeit von über 300 MW/cm²sr“ wurden in ACS Photonics veröffentlicht. Zhang Zhicheng, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am USTC, fungierte als Erstautor, die Professoren Wang Jun und Zhang Chao Fan waren korrespondierende Autoren.
Halbleiterscheibenlaser (SDLs), auch bekannt als VECSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Durch die Kombination der Vorteile von Halbleiterverstärkung und Festkörperresonatoren überwinden sie effektiv die Einschränkungen der Emissionsfläche herkömmlicher Single-{4}Mode-Halbleiterlaser und bieten gleichzeitig ein flexibles Halbleiterbandlückendesign und hohe Materialverstärkungseigenschaften. Sie finden Anwendungen in zahlreichen Szenarien, darunter rauscharmer Laserausgang mit schmaler-Linienbreite, ultraschnelle Impulserzeugung mit hoher -Wiederholungsrate-, Erzeugung hoher -Oberwellen und Natriumleitsterntechnologie. Die fortschreitende Technologie erfordert eine größere Wellenlängenflexibilität. Kohärente Quellen mit zwei Wellenlängen zeigen ein enormes Potenzial in aufstrebenden Bereichen wie Anti-Störungs-Lidar, holographische Interferometrie, Wellenlängenmultiplex-Kommunikation, Mittel--Infrarot- oder Terahertz-Erzeugung und mehrfarbige optische Frequenzkämme. Das Erreichen einer Emission mit hoher-Helligkeit bei zwei-Wellenlängen bei gleichzeitiger Unterdrückung der Verstärkungskonkurrenz zwischen den Wellenlängen bleibt eine große Herausforderung bei Halbleiterscheibenlasern.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, schlug das Halbleiterlaserteam ein innovatives Chipdesign vor. Durch eingehende numerische Studien entdeckten sie, dass die präzise Steuerung der temperaturabhängigen Quantenmuldenverstärkungsfilterung und der Halbleiter-Mikrokavitätsfilterungseffekte eine flexible Dual-Color-Verstärkungsregulierung ermöglichen könnte. Darauf aufbauend entwickelte das Team erfolgreich einen Chip mit hoher -Helligkeitsverstärkung, der bei 960/1000 nm arbeitet. Dieser Laser arbeitet im nahezu -Beugungs-begrenzten Grundmodus und erreicht eine Ausgangshelligkeit von etwa 310 mW/cm²sr.
Forschungsinnovationen
Abbildung 1: Halbleiter-Gain-Chip-Design mit hoher-Helligkeit und zwei-Wellenlängen
Die Verstärkungsschicht des Halbleiterwafers ist nur wenige Mikrometer dick und bildet einen Fabry-Perot-Mikrohohlraum zwischen der Halbleiter-Luftschnittstelle und dem verteilten Bragg-Reflektor am Substrat. Die Behandlung der Halbleiter-Mikrokavität als integrierter Spektralfilter moduliert die Quantentopfverstärkung. Gleichzeitig weisen der Filtereffekt der Mikrokavität und die Halbleiterverstärkung deutliche Temperaturdriftraten auf. In Kombination mit der Temperaturregelung ermöglicht dies das Schalten und Regeln der Ausgangswellenlänge. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften stellte das Team den Verstärkungspeak des Quantentopfs rechnerisch auf 950 nm bei 300 K ein, mit einer Temperaturdriftrate der Verstärkungswellenlänge von etwa 0,37 nm/K. Anschließend nutzte das Team die Transfermatrix-Methode, um die Längseinschlussfaktoren des Chips zu entwerfen und erreichte Spitzenwellenlängen von etwa 960 nm und 1000 nm. Simulationen ergaben eine Temperaturdriftrate von nur 0,08 nm/K. Mithilfe der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) für das epitaktische Wachstum konnte das Team durch kontinuierliche Prozessoptimierung erfolgreich Verstärkungschips hoher Qualität herstellen. Die Photolumineszenzmessungen stimmten vollständig mit den Simulationsergebnissen überein. Um die thermische Belastung zu verringern und einen Hochleistungsbetrieb zu ermöglichen, wurde ein Halbleiter-{20}}Diamantchip-Verpackungsprozess weiterentwickelt.
Umfassende Analyse der Ausgangseigenschaften von Halbleiter-Gain-Chips
Nach der Chipverpackung führte das Team eine umfassende Bewertung seiner Laserleistung durch. Im Dauerbetrieb kann die Emissionswellenlänge durch Steuerung der Pumpleistung oder der Kühlkörpertemperatur flexibel zwischen 960 nm und 1000 nm eingestellt werden. Innerhalb eines bestimmten Pumpleistungsbereichs erreichte der Laser auch einen Dual-Wellenlängen-Betrieb mit einem Wellenlängenabstand von 39,4 nm und erreichte eine maximale Dauerwellenleistung von 3,8 W. Gleichzeitig behielt der Laser einen nahezu {9}beugungsbegrenzten Grundmodusbetrieb mit einem Strahlqualitätsfaktor M² von nur 1,1 und einer Helligkeit von etwa 310 MW/cm²sr bei. Das Team untersuchte auch die quasi-kontinuierliche Wellenleistung des Lasers. Durch das Einsetzen eines nichtlinearen optischen LiB₃O₅-Kristalls in den Resonatorhohlraum konnten sie erfolgreich Summenfrequenzsignale beobachten und so die Synchronisation beider Wellenlängen bestätigen.
Dieses geniale Chip-Design erreicht eine organische Integration von Quantentopf-Verstärkungsfilterung und Mikrokavitätsfilterung und legt damit die Designgrundlage für die Realisierung von Laserquellen mit zwei{0}}Wellenlängen. In Bezug auf die Leistungskennzahlen erreicht dieser monolithische Laser mit zwei -Wellenlängen eine hohe Helligkeit, hohe Flexibilität und eine präzise koaxiale Strahlausgabe. Seine Helligkeit zählt zu den weltweit führenden Werten im aktuellen Bereich der monolithischen Halbleiterlaser mit zwei Wellenlängen. Für praktische Anwendungen ist diese Errungenschaft in mehrfarbigen Lidar-Systemen vielversprechend. Durch die Nutzung seiner hohen Helligkeit und der Dual-Wellenlängen-Eigenschaften kann es die Radarerkennungsgenauigkeit und die Anti-Interferenz-Fähigkeiten in komplexen Umgebungen effektiv verbessern. Bei optischen Frequenzkammanwendungen bietet sein stabiler Dual-Wellenlängen-Ausgang eine entscheidende Unterstützung für präzise Spektralmessungen und hochauflösende optische Erfassung. Für die Zukunft plant das Team, seine Forschung zu vertiefen. Einerseits zielen sie darauf ab, elektro-gepumpte Geräte zu entwickeln, indem sie Parameter wie Elektrodenabmessungen und Dotierung optimieren, um die Single-Mode-Leistung weiter zu erhöhen. Zum anderen werden sie neuartige elektro-gepumpte photonische Kristalloberflächen-emittierende Halbleiterlaser erforschen.
