高效VCSEL在綠色能源光子學中的應用前景

自問世以來，邊發(fā)射激光器(EEL)技術的功率轉(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，在光子學領域?qū)崿F(xiàn)高效轉(zhuǎn)換一直是VCSEL面臨的挑戰(zhàn)。

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

最近，先進人工智能技術的快速發(fā)展揭示了 VCSEL 在傳感、通信、原子鐘、光學/量子計算、拓撲激光和醫(yī)療診斷等領域的巨大潛力。特別是自動駕駛對遠距離傳感技術的需求、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 在智能和量子技術應用領域的發(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備的發(fā)展至關重要，并在推動綠色能源光子學的發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。在發(fā)表于《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)上發(fā)表的一篇新論文中，四川大學電子信息學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)技術實現(xiàn)了 VCSEL 效率的突破。

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。

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15.6W/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領域報告的最高效率，而這一差分量子效率也是半導體激光器領域報告的最高效率。

半導體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率總結(jié)

正如審稿人所說：“這的確是在一個長期停滯不前的領域取得的重大突破。”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 在通信領域的應用。這項研究不僅為 VCSEL 的進一步優(yōu)化和應用提供了寶貴的理論和實驗依據(jù)，也為高 PCE 半導體激光器的進一步開發(fā)和應用提供了有價值的參考。它有望對綠色能源光子學和激光物理學產(chǎn)生重大影響。”

審核編輯 黃宇