Onlangs heeft een halfgeleiderlaserteam, bestaande uit de School of Interdisciplinaire Wetenschappen van de National University of Defense Technology en Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar halfgeleiderlasers met twee kleuren. De bevindingen, getiteld "Monolithische 960/1000nm bi-kleuren halfgeleiderschijflaser levert een helderheid van meer dan 300 MW/cm²sr", werden gepubliceerd in ACS Photonics. Zhang Zhicheng, assistent-onderzoeker bij USTC, was de eerste auteur, met professoren Wang Jun en Zhang Chao Fan als corresponderende auteurs.
Halfgeleiderschijflasers (SDL's), ook bekend als verticale-cavity oppervlak-emitterende lasers (VECSEL's), hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Door de voordelen van halfgeleiderversterking en vaste{3}}resonatoren te combineren, overwinnen ze op effectieve wijze de beperkingen van het emissiegebied van conventionele halfgeleiderlasers met enkele modus-, terwijl ze een flexibel halfgeleider-bandgap-ontwerp en hoge materiaalversterkingskarakteristieken bieden. Ze vinden toepassingen in talloze scenario's, waaronder laseruitvoer met lage-ruis en smalle-lijnbreedte, ultrasnelle pulsgeneratie met hoge-herhaling-snelheid, hoge-harmonische generatie en natriumgidsstertechnologie. De voortschrijdende technologie vereist een grotere golflengteflexibiliteit. Coherente bronnen met dubbele{13}}golflengte demonstreren een enorm potentieel in opkomende gebieden zoals anti-jamming lidar, holografische interferometrie, golflengteverdelingsmultiplexcommunicatie, midden-infrarood- of terahertzgeneratie en meerkleurige optische frequentiekammen. Het bereiken van hoge-helderheid met dubbele-golflengten en tegelijkertijd de versterkingsconcurrentie tussen golflengten onderdrukken, blijft een aanzienlijke uitdaging bij halfgeleiderschijflasers.
Om deze uitdaging aan te gaan, stelde het halfgeleiderlaserteam een innovatief chipontwerp voor. Door middel van -diepgaande numerieke studies ontdekten ze dat het nauwkeurig regelen van temperatuur-afhankelijke kwantumbronversterkingsfilters en halfgeleidermicrocaviteitsfiltereffecten flexibele regeling van dubbele- kleurversterking mogelijk zou kunnen maken. Hierop voortbouwend heeft het team met succes een chip met hoge-helderheidswinst ontworpen die werkt op 960/1000 nm. Deze laser werkt in een vrijwel-diffractie-beperkte fundamentele modus en bereikt een uitgangshelderheid van ongeveer 310 mW/cm²sr.
Onderzoek innovaties
Figuur 1: Ontwerp van halfgeleiderversterkingschip met hoge-helderheid en dubbele-golflengte
De versterkingslaag van de halfgeleiderwafel is slechts een paar micrometer dik en vormt een Fabry-Perot-microholte tussen het halfgeleider-luchtgrensvlak en de gedistribueerde Bragg-reflector op het substraat. Door de halfgeleidermicroholte te behandelen als een geïntegreerd spectraal filter, wordt de kwantumputversterking gemoduleerd. Tegelijkertijd vertonen het microholtefiltereffect en de halfgeleiderversterking verschillende temperatuurdriftsnelheden. Gecombineerd met temperatuurregeling maakt dit het schakelen en regelen van de uitgangsgolflengte mogelijk. Door gebruik te maken van deze eigenschappen heeft het team de versterkingspiek van de kwantumput computationeel ingesteld op 950 nm bij 300 K, met een temperatuurverloopsnelheid van de versterkingsgolflengte van ongeveer 0,37 nm/K. Vervolgens gebruikte het team de overdrachtsmatrixmethode om de longitudinale opsluitingsfactoren van de chip te ontwerpen, waarbij piekgolflengten van ongeveer 960 nm en 1000 nm werden bereikt. Simulaties onthulden een temperatuurdrift van slechts 0,08 nm/K. Met behulp van metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) voor epitaxiale groei heeft het team met succes chips met hoge-kwaliteitswinst gefabriceerd door voortdurende procesoptimalisatie. Fotoluminescentiemetingen kwamen volledig overeen met de simulatieresultaten. Om de thermische belasting te beperken en werking met hoog-vermogen mogelijk te maken, werd een verpakkingsproces voor halfgeleider-diamantenchips verder ontwikkeld.
Uitgebreide analyse van de uitgangskarakteristieken van halfgeleiderversterkingen
Na het verpakken van de chips voerde het team een uitgebreide evaluatie uit van de laserprestaties. In de continue werkingsmodus kan de emissiegolflengte flexibel worden afgestemd tussen 960 nm en 1000 nm door het pompvermogen of de temperatuur van het koellichaam te regelen. Binnen een specifiek pompvermogensbereik bereikte de laser ook werking met dubbele-golflengten met een golflengteafstand van 39,4 nm, waardoor een maximaal continu-golfvermogen van 3,8 W werd bereikt. Tegelijkertijd handhaafde de laser een bijna-diffractie-beperkte fundamentele modus met een straalkwaliteitsfactor M² van slechts 1,1 en een helderheid van ongeveer 310 MW/cm²sr. Het team onderzocht ook de quasi-continue golfprestaties van de laser. Door een niet-lineair optisch LiB₃O₅-kristal in de resonatorholte te plaatsen, hebben ze met succes somfrequentiesignalen waargenomen, wat de synchronisatie van beide golflengten bevestigde.
Dit ingenieuze chipontwerp realiseert een organische integratie van kwantumbronfiltering en microcaviteitsfiltering, waardoor de ontwerpbasis wordt gelegd voor het realiseren van laserbronnen met dubbele golflengte-. Wat de prestatiegegevens betreft, bereikt deze monolithische laser met dubbele-golflengte een hoge helderheid, hoge flexibiliteit en nauwkeurige coaxiale straaluitvoer. De helderheid behoort tot de hoogste niveaus ter wereld op het huidige gebied van monolithische halfgeleiderlasers met dubbele golflengte. Voor praktische toepassingen is deze prestatie veelbelovend in meer-kleurenlidarsystemen. Door gebruik te maken van de hoge helderheid en dubbele-golflengtekarakteristieken kan het de radardetectienauwkeurigheid en de anti-interferentiemogelijkheden in complexe omgevingen effectief verbeteren. In toepassingen met optische frequentiekammen biedt de stabiele output met dubbele{11}}golflengte kritische ondersteuning voor nauwkeurige spectrale metingen en optische detectie met hoge-resolutie. Vooruitkijkend is het team van plan hun onderzoek te verdiepen. Aan de ene kant willen ze elektrisch-gepompte apparaten ontwikkelen door parameters zoals elektrodeafmetingen en doping te optimaliseren om het single-mode-vermogen verder te vergroten. Aan de andere kant zullen ze nieuwe elektro-gepompte fotonische kristaloppervlak-emitterende halfgeleiderlasers onderzoeken.
