Недавно группа специалистов по полупроводниковым лазерам, состоящая из Школы междисциплинарных наук Национального университета оборонных технологий и Сучжоуской компании Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., добилась значительного прогресса в исследованиях двухцветных полупроводниковых лазеров. Результаты исследования под названием «Монолитный двухцветный полупроводниковый дисковый лазер с длиной волны 960/1000 нм обеспечивает яркость более 300 МВт/см²ср» были опубликованы в журнале ACS Photonics. Чжан Чжичэн, младший научный сотрудник USTC, выступил в качестве первого автора, а профессора Ван Цзюнь и Чжан Чао Фань — в качестве соответствующих авторов.
Полупроводниковые дисковые лазеры (SDL), также известные как лазеры с поверхностным излучением с вертикальным-резонатором-(VECSEL), в последние годы привлекли значительное внимание. Сочетая в себе преимущества полупроводникового усиления и твердотельных-резонаторов, они эффективно преодолевают ограничения области излучения обычных одно-полупроводниковых лазеров, предлагая при этом гибкую конструкцию запрещенной зоны полупроводника и высокие характеристики усиления материала. Они находят применение во многих сценариях, включая малошумящий лазер с узкой-шириной линии, сверхбыструю генерацию импульсов с высокой-частотой повторения-, генерацию высоких-гармоник и технологию натриевой опорной звезды. Развитие технологий требует большей гибкости длины волны. Когерентные источники с двойной-длиной волны демонстрируют огромный потенциал в новых областях, таких как лидар с защитой от-помех, голографическая интерферометрия, связь с мультиплексированием по длине волны, генерация среднего-инфракрасного или терагерцового диапазона и многоцветные гребенки оптических частот. Достижение высокой-яркости излучения с двумя-длинами волн при одновременном подавлении конкуренции между длинами волн остается серьезной проблемой в полупроводниковых дисковых лазерах.
Чтобы решить эту проблему, команда разработчиков полупроводниковых лазеров предложила инновационную конструкцию чипа. Благодаря углубленным-численным исследованиям они обнаружили, что точный контроль температурной-зависимой фильтрации усиления на квантовых ямах и полупроводниковой микрорезонаторной фильтрации может обеспечить гибкую регулировку усиления двойного-цвета. Основываясь на этом, команда успешно разработала чип с высоким-коэффициентом усиления яркости, работающий на длинах волн 960/1000 нм. Этот лазер работает в режиме, близком к -дифракционному-ограниченному основному режиму, достигая выходной яркости примерно 310 мВт/см²ср.
Исследовательские инновации
Рис. 1. Конструкция полупроводникового чипа с высокой-яркостью и двойным-усилением волн.
Усиливающий слой полупроводниковой пластины имеет толщину всего несколько микрометров и образует микрополость Фабри-Перо между границей полупроводникового-воздуха и распределенным отражателем Брэгга на подложке. Использование полупроводникового микрорезонатора как интегрированного спектрального фильтра модулирует усиление квантовой ямы. В то же время эффект микрорезонаторной фильтрации и усиление полупроводника демонстрируют различные скорости температурного дрейфа. В сочетании с контролем температуры это позволяет переключать и регулировать выходную длину волны. Используя эти свойства, команда с помощью вычислений установила пик усиления квантовой ямы на длине волны 950 нм при температуре 300 К со скоростью температурного дрейфа длины волны усиления примерно 0,37 нм/К. Впоследствии команда применила метод матрицы переноса для расчета коэффициентов продольного ограничения чипа, достигнув пиковых длин волн примерно 960 и 1000 нм. Моделирование показало, что скорость температурного дрейфа составляет всего 0,08 нм/К. Используя осаждение металлорганических органических соединений из паровой фазы (MOCVD) для эпитаксиального выращивания, команда успешно изготовила высококачественные чипы с усилением благодаря непрерывной оптимизации процесса. Измерения фотолюминесценции полностью соответствовали результатам моделирования. Чтобы снизить тепловую нагрузку и обеспечить работу на высокой-мощности, была доработана технология упаковки полупроводниковых-алмазных чипов.
Комплексный анализ выходных характеристик полупроводникового чипа
После упаковки чипа команда провела всестороннюю оценку производительности его лазера. В режиме непрерывной работы длину волны излучения можно гибко настраивать в диапазоне от 960 до 1000 нм, контролируя мощность накачки или температуру радиатора. В определенном диапазоне мощности накачки лазер также работал на двух-длинах волн с расстоянием между длинами волн 39,4 нм, достигая максимальной мощности непрерывной-волны 3,8 Вт. Одновременно лазер поддерживал работу в -дифракционной-ограниченной основной моде с добротностью луча M² всего 1,1 и яркостью примерно 310 МВт/см²ср. Команда также исследовала характеристики квази-непрерывного излучения лазера. Вставив нелинейный оптический кристалл LiB₃O₅ в полость резонатора, они успешно наблюдали сигналы суммарной частоты, подтвердив синхронизацию обеих длин волн.
Эта оригинальная конструкция чипа обеспечивает органичную интеграцию фильтрации усиления квантовых ям и фильтрации микрорезонаторов, закладывая основу для создания лазерных источников с двойной-длиной волны. С точки зрения производительности, этот монолитный лазер с двумя-длинами волн обеспечивает высокую яркость, высокую гибкость и точный выходной коаксиальный луч. Его яркость входит в число ведущих мировых показателей в современной области монолитных полупроводниковых лазеров с двумя длинами волн. Для практического применения это достижение перспективно в многоцветных лидарных системах. Благодаря высокой яркости и характеристикам двойной-длины волны он может эффективно повысить точность обнаружения радаров и возможности защиты от-помех в сложных условиях. В приложениях с гребенкой оптических частот его стабильный выходной сигнал с двойной-длиной волны обеспечивает критически важную поддержку для прецизионных спектральных измерений и оптических датчиков с высоким-разрешением. В будущем команда планирует углубить свои исследования. С одной стороны, они стремятся разработать устройства с электро-накачкой путем оптимизации таких параметров, как размеры электродов и легирование, для дальнейшего увеличения одномодовой мощности. С другой стороны, они будут исследовать новые полупроводниковые лазеры, излучающие на поверхности фотонных кристаллов с электро-накачкой-.
