光子晶体面发射激光器的进展

由于一些进步，光子晶体面发射激光器（PCSEL）现在将高输出功率与高光束质量、偏振、光束模式控制和片上二维光束扫描相结合。

文章由京都大学的SUSUMU NODA撰写

半导体激光器继续为我们的社会做出重要贡献。它们被部署用于许多任务，并为通信网络和光存储做出了重大而持久的贡献。在这些环境中，人们通过扩大发射波长范围和提高调制速度，致力于扩大这种光源的效用。

激光在智能移动和智能制造领域也有机会。然而，为这些任务而设计的传统激光器会产生非常宽的光谱发射，很难满足所需的高输出功率和高光束质量（见图1左）。

图1.传统广域半导体激光器和PCSEL的比较

像许多其他种类的激光器一样，由半导体制成的激光器还有其他需要改进的地方。今天的芯片无法提供片上波束图、偏振和方向控制。未能提供这些功能是一个显著的弱点——这些遗漏必须用外部元件来解决，这就丧失了半导体激光器以其紧凑而闻名的优势。

幸运的是，由于光子晶体面发射激光器（PCSEL）的发展，这种模式可以改变（见图1，右）。该器件目前备受关注，因为它可以同时实现高输出功率和高光束质量，并提供其他类型激光器不易实现的功能，例如偏振和光束模式控制，以及片上光束方向控制，从而消除了对笨重外部光学器件的需要。

本专题的其余部分简要概述了PCSEL的历史，以及最近的进展，包括新开发的光子晶体的成功。
 

图2.PCSEL的进展

PCSEL的过去

我们来自京都大学的团队早在1999年就提出并演示了PCSEL的概念。这类激光器的主要特点是在奇点运行⌈（指二维（2D）光子晶体」，其晶格由两种具有较大折射率对比度的材料形成，例如空气和半导体。在这种高对比度晶格中，可以是方形、三角形或其他形式，存在基本（一阶）Bloch波和高阶Bloch波的耦合。由于这种相互作用，PCSEL能够实现广域2D相干激光振荡。这一点的性质确保发射来自光子晶体的表面；正是出于这个原因，我们将这种激光器命名为PCSEL。

值得注意的是，PCSEL不同于2D分布式反馈激光器。由于后者具有较小的折射率对比度，由于不同半导体材料的交替层，耦合仅在基波之间。由于这个限制，方形晶格结构中横向电模不存在相干2D共振。因此，“全半导体”PCSEL很难在2D广域上实现相干操作。

继上世纪末首次演示PCSEL之后，我们开始开发其基本工作原理和一些新功能。我们在2001年报道了偏振模式控制的实现；2006年光束方向图控制的发展；2008年，我们推出了使用GaN材料的蓝紫波长发射；2010年的一维光束转向；以及2014年高光束质量的瓦特级操作。除了实验室取得的成功外，自2013年以来，基于这些光子晶体的0.2 W级器件已投入商用（成功时间表见图2）。

除了所有这些成功之外，最近我们还获得了进一步的突破，这些突破来自优化光子晶体结构。2018-2019年，我们推出了一种独特的光子晶体结构，我们称之为“双晶格光子晶体”。这种结构可确保高光束质量，并可实现10 W或以上的PCSEL输出功率。我们还在2020年推出了“双调制光子晶体”PCSEL。其特点是提供光束衍射的二维控制，同时保持二维共振。
 

提高亮度

PCSEL具有高功率和高光束质量的优点，可确保高亮度。该特性定义为单位面积、单位立体角的光功率；这个度量提供了一个衡量激光束聚焦程度和发射激光束发散范围的优值。

亮度与器件的尺寸成正比，与正交方向上横向模式的乘积成反比。在传统的广域半导体激光器中，实现更高输出功率的捷径是增加器件的尺寸，但这是以增加横模的数量为代价的。因此，这种方法无法提高亮度。VCSEL的情况与此类似，但PCSEL则不同，因为使用这种特殊的激光器，在增加该器件尺寸的同时，可能只有很少的横模（理想情况下，它们可以是单模）（再次参见右图1）。由于这一资产，PCSEL预计将以1-10 GW cm^-2 sr^-1的亮度运行，这是与CO2激光器和光纤激光器等大型激光器相关的性能水平。更重要的是，PCSEL有潜力产生非常窄的激光光谱，理想情况下是单模，以及远小于传统广域半导体激光器的温度依赖性。

为了提高PCSEL的亮度，我们引入了双晶格光子晶体。这由两个具有较大和较小晶格点的正方形晶格组成，其位置偏移约晶格常数的四分之一。这种设计确保了光波被具有半波长光程差的单个晶格衍射。因此，在180 °衍射导致光场扩展（见图3）。由于高阶模的波腹靠近器件的边缘，高阶模被切断，从而产生高光束质量，最终产生高亮度。
 

图3.双晶格光子晶体的影响

我们已经制造了一个具有双晶格光子晶体的PCSEL，将该芯片以上下配置安装在封装上，输出光束从衬底侧发射（见图4，左侧）。测量表明，当在脉冲模式下工作时，该光源以0.83 W/A的斜率效率产生超过20 W的光输出。由于0.1°的非常窄的光束发散角，亮度超过1.5 GW cm^-2 sr^-1。除了这些出色的特性外，我们的双晶格PCSEL在-40°C到100°C的单模下稳定运行，并且对温度的依赖性仅为0.08 nm/°C。如果需要更高的斜率效率，可以串联组合PCSEL。通过以这种方式配置三元阵列，我们将斜率效率提高到2.3 W/A以上。

图4.（左）安装在5.6 mm直径封装上的PCSEL，（中）I-L特性（插图显示了远场模式（FFP）），以及（右）激光光谱的温度依赖性

高亮度PCSEL的新兴机会之一是激光雷达，这是汽车和机器人智能移动所需的技术（见图5）。为了突出PCSEL在这些应用中的能力，我们提供了概念验证演示，其中该光源位于紧凑、简化的飞行时间激光雷达系统的核心。
 

      图5.典型激光雷达系统（飞行时间（ToF）类型）

我们对这个系统的评估是从考虑当发射的光束在没有任何外部透镜系统的帮助下在自由空间传播时，它的光束直径可以保持多小开始的。我们将光束投射到距离从15 cm到30 m不等的屏幕上，并将我们的发现与传统广域激光器的发现进行了比较（见图6）。
 

图6.传统半导体激光器和PCSEL的远场光束传输比较

正如人们所料，常规广域激光的光束传播很快，因为它的发散角很大而且不对称。由于这一局限性，我们无法识别光束传播超过1m后的模式。在激光雷达系统中，通过在传统激光器旁边使用外部复杂透镜布置来解决这一弱点。然而，此解决方案增加了复杂性并增加了此单元的大小。

对于基于PCSEL的激光雷达来说，情况明显不同。由于发散角更小，光束直径更小，即使在远离激光器的距离上也是如此。值得注意的是，即使在30 m处，圆梁的直径也低于5 cm，其全宽为最大宽度的一半。这一有希望的结果表明，当PCSEL用于激光雷达系统时，它不需要外部透镜系统及其相关的复杂调整过程。这可以降低激光雷达系统的成本、重量和尺寸。
 

图7.激光雷达用传统半导体激光器和PCSEL光源的比较

在我们的研究成果的鼓舞下，我们继续开发包含我们的PCSEL的激光雷达系统（参见图7，与传统激光激光雷达系统进行比较）。在这些系统中，激光束通过机械旋转镜进行一维扫描。即使在使用复杂的透镜系统来重塑光束后，使用传统激光的激光雷达也会受到一个大的扭曲光斑的阻碍。由于该系统中存在畸变，波束扫描过程中波束点重叠，降低了系统的空间分辨率。与此形成鲜明对比的是，我们基于PCSEL的激光雷达在光束扫描过程中提供了清晰分离的光束点，最终实现了高空间分辨率。
 

        图8.使用PCSEL光源的激光雷达演示

使用我们于2020年构建的基于PCSEL的激光雷达系统，我们进行了实时距离测量（见图8）。该系统捕捉了A和B人运动的细节，例如他们手的运动，说明了基于PCSEL光源的优越性。2021年，我们在这一成功的基础上，将基于PCSEL的激光雷达的体积削减了三倍（见图9）。

        图9.激光雷达系统的进一步小型化。从2020年起，2021版本仅为其前身的三分之一。

高亮度PCSEL不限于脉冲操作。我们还生产了连续波变体，将直径从500 µm增加到1 mm，以帮助散热。对于这种器件，其直径经过优化设计，在保持非常窄的光束发散角的同时，可以实现10 W CW输出。

我们已经将这种高亮度CW PCSEL应用于金属表面的标记。如果查看图10，您可以清楚地看到“PCSEL”。

我们团队最近取得的进展实现了一种能够产生30 W输出的PCSEL的制造，这是通过将该发射器的直径缩小到2 mm来实现的。这一成功为将PCSEL尺寸扩大到3 mm到10 mm，为实现100 W甚至1 kW连续波操作提供了一个路线图。实现这种更高功率将使PCSEL能够取代非常大的激光器，如CO2激光器和光纤激光器，成为智能制造的关键光源。

用属性武装起来

当用于激光雷达时，与传统激光器相比，PCSEL的优点之一是其优越的光束质量，允许使用机械旋转镜。但是，如果不是使用机械方式进行扫描，可以通过电气方式实现，那么该系统将在可靠性、稳定性和紧凑性方面取得飞跃。
 

图10.直径为1 mm的PCSEL的（左）CW操作。（右）在金属（不锈钢）表面上进行标记实验

由于系统性能的巨大改进潜力，我们最近开发了一种能够进行二维电子束扫描的PCSEL。这一胜利建立在我们2010年报道的一维电子束扫描之上。为了从单向扫描发展到双向扫描，我们改进了光子晶体结构。通过创造我们所描述的双调制光子晶体，我们已经能够产生一种激光器，它可以在二维的任意方向发射高功率、高质量的光束。

为了产生具有二维电子束扫描的PCSEL，我们同时调制光子晶体晶格点的位置和大小（见图11）。这种特殊PCSEL与其前身的设计之间的一个关键区别是，它有一个不同的奇点，称为M点，用于在调制之前抑制光的发射。在这种设计中引入双重调制，可确保光束仅按自己选择的方向发射。

        图11.双调制光子晶体的扫描电子显微镜图像（鸟瞰图）。点阵点的位置和大小是同时调制的。这些调制编码关于光束发射方向的信息。此外，晶格常数（等于晶格点之间的间距）设置为1⁄√2材料中波长的2倍（195 nm）。

我们已经制作了一个双调制PCSEL的10×10芯片阵列：每个激光器的面积为150 µm²，圆形电流注入区域的直径为100 µm。所有电极都集成在芯片的背面，因此激光束从正面发射而不受阻碍（见图12）。为了解决阵列问题，PCSEL相互电隔离，并且仅驱动施加电压的p线和n线电极交叉点处的PCSEL。每个PCSEL都使用其独特的光束发射方向进行编码。从每个PCSEL同时发出两束斜角光束，这是关于表面法线的相互反射。

图12.用于二维不同方向光束发射的双调制PCSEL芯片阵列。（顶部）整个设备的示意图。（底部）芯片底部的显微镜图像。

使用我们的阵列芯片，我们可以以任何顺序和任何速度驱动100个PCSEL。如图13所示，这种能力仅提供了一个波束扫描示例；通常，各种光束可以在任何时间、任何顺序进行扫描。值得注意的是，可解析点的数量不限于100个，事实上，它可以增加到90000多个，而无需大幅增加芯片面积。此外，还可以构建一种利用这种光束扫描技术的新型激光雷达系统；闪光和光束扫描激光雷达的结合，这是我们计划另外讨论的一个话题。

这一最新的成功是我们努力加强PCSEL的研究和开发并推动其部署的又一个例子。为了支持这一努力，我们最近为该器件建立了卓越中心。我们渴望分享我们已经认识到的，并且可以根据材料转让协议提供PCSEL样品用于测试。
 

图13.使用940 nm激光波长的多光束扫描示例。第一行快照显示了当n线电极从n-1依次驱动到n-10，而p线电极固定到p-5时的束扫描。对于该序列，为20 °的固定的极性发射角θ（来自表面法线）已编码，而方位角发射角θ（来自正x轴）已编码为从0 °/180 °到45 °/225 °0变化 ；这些发射角正是快照中观察到的发射角。接下来，中间一行快照显示了驱动相同序列的n线电极时的光束扫描，但p线电极固定在p-6上。在这种情况下，方位角θ设计为保持90 °/270 °，而极角θ设计为从0变化 °至45 °；同样，这些发射角正是快照中观察到的发射角。最后，当顶行和中间行的电极同时驱动以同时扫描四个光束时，最下面一行快照显示了光束扫描。

这项工作是野田佳彦量子光电子学实验室与京都大学纳米处理实验室共同开展的研究的一部分。作者对这两个实验室的教员、研究人员和学生深表感谢。这项工作是在科学、技术和创新委员会、跨部门战略创新促进计划、光子学和量子技术促进社会5.0（资助机构：QST）的项目下进行的，并且是在日本科学技术署委托的CREST计划下进行的下一代光子学。

进一步阅读

† https://pcsel-coe.Kuee.Kyoto-u.Ac.Jp/

† M. Imada et. al. Appl. Phys. Lett. 75 316 (1999)

† S. Noda et. al.. IEEE J. Sel. Top. Quantum electron. 23 4900107 (2017)

† M. Imada et. al. Phys. Rev. B 65 195306 (2002)

† S. Noda et. al. Science 293 1123 (2001)

† E. Miyai et. al. Nature 441 946 (2006)

† H. Matsubara et. al. Science 319 445 (2008)

† Y. Kurosaka et. al. Nat. Photonics 4 447 (2010)

† K. Hirose et. al. Nat. Photonics 8 406 (2014)

† https://www.Kyoto-u.Ac.Jp/static/ja/news_data/h/h1/news6/2013/130926_1.htm

† M. Yoshida et. al. Nat. Mater. 18 121 (2019)

† R. Sakata et. al. Nat. Commun. 11 3487 (2020)

† M. Yoshida et. al. J. Phys. Photonics 3 022006 (2021)

† M. Toda IEEE J. Quantum Electron. 28 1653 (1992)

† S. Noda. Proc. SPIE 11672, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXIII, 1167203 (8 March 2021); https://doi.Org/10.1117/12.2593114.

† S. Katsuno et. al. “29-W continuous-wave operation of photonic crystal surface-emitting laser (PCSEL)”, International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Berlin, Germany, October 2021

† T. Inoue et al. Nat. Commun. 13 3262 (2022)

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