中科院物理所陸凌團(tuán)隊(duì)發(fā)明革命性半導(dǎo)體激光器技術(shù)：TCSEL
發(fā)布時(shí)間：2022-04-07 12:09:40 熱度：4773
4/07/2022，光纖在線訊，Nature Photonics雜志2022年3月17日發(fā)表中科院物理所楊樂臣，李廣睿，高曉梅，陸凌團(tuán)隊(duì)的文章“拓?fù)淝槐砻姘l(fā)射半導(dǎo)體激光器”（TCSEL）。繼2020年該團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology上首次提出“狄拉克渦旋”拓?fù)涔馇缓螅懥鑸F(tuán)隊(duì)在該技術(shù)實(shí)用化上更進(jìn)一步。
據(jù)陸凌團(tuán)隊(duì)介紹，“狄拉克渦旋”拓?fù)涔馇唬悄壳耙阎竺娣e單模性最好的光腔設(shè)計(jì)，可從原理上突破現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器出射功率和光束質(zhì)量不能并存的瓶頸。在最近這篇文章中，該團(tuán)隊(duì)得到遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)和性能。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件10W峰值功率、小于1°的遠(yuǎn)場發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長陣列的集成能力。TCSEL的發(fā)明對(duì)于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)所需的三維感知和激光雷達(dá)等新興技術(shù)有重要意義。
以往半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)單模工作主要依靠基于光子晶體結(jié)構(gòu)的選模，比如早期的DFB激光器采用一維周期光柵結(jié)構(gòu)選模，但是兩個(gè)帶邊模式的相互競爭，導(dǎo)致單模工作較不穩(wěn)定。解決方案是引入一個(gè)缺陷（四分之一波長的相移），進(jìn)而在光子帶隙正中間產(chǎn)生一個(gè)缺陷模式，保證穩(wěn)定的單模工作。VCSEL激光器的諧振腔也同樣利用了帶間缺陷態(tài)來選模。然而，由于上述兩種主流產(chǎn)品均是采用一維光子晶體選模，因此其他兩個(gè)沒有周期結(jié)構(gòu)的方向就因沒有選模機(jī)制而難以在尺寸上超過波長量級(jí)，否則就會(huì)多模激射。器件尺寸上不去，單模功率也就遇到阻礙。一個(gè)自然的提高單模功率的方案是采用二維光子晶體結(jié)構(gòu)，而二維光子晶體面發(fā)射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL）的產(chǎn)品也已于2017年由日本濱松公司推出，其具有大面積單模輸出、高功率、窄發(fā)散角等優(yōu)勢，但PCSEL也至少有兩個(gè)高品質(zhì)因子（Q）的帶邊模式相互競爭。因此，如果能像一維主流產(chǎn)品DFB和VCSEL那樣，設(shè)計(jì)出魯棒的二維帶間缺陷模式，有可能成為未來高功率單模激光器的重要方向。
陸凌團(tuán)隊(duì)意識(shí)到DFB及VCSEL中的一維缺陷態(tài)其實(shí)是拓?fù)涞模c較多熟知的一維拓?fù)淠Ｐ拖嗟葍r(jià)，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。特別是高能物理中的一維Jackiw-Rebbi模式有直接的二維對(duì)應(yīng)，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的質(zhì)量渦旋解，且原則上可在凝聚態(tài)體系的蜂窩晶格中用廣義的Kekulé調(diào)制來實(shí)現(xiàn)（HCM模型）。該團(tuán)隊(duì)的研究人員通過渦旋調(diào)制狄拉克光子晶體設(shè)計(jì)出這種拓?fù)涔馇唬⑶覍?shí)驗(yàn)上在硅晶片（SOI）上和光通信波段（1550nm）實(shí)現(xiàn)這種狄拉克渦旋腔。該腔可實(shí)現(xiàn)帶間單模、任意多簡并模式、最大的自由光譜范圍、小遠(yuǎn)場發(fā)散角、矢量光場輸出、模式面積從微米到毫米范圍可調(diào)以及多種襯底兼容等特性。
圖：狄拉克渦旋光腔與三種商用單模半導(dǎo)體激光腔的比較
大面積單模性是狄拉克渦旋腔有別于其他已知光腔的優(yōu)勢。光腔的單模性可用自由光譜范圍（Free Spectral Range:FSR）來表征，之前已知所有光腔的模式間距（FSR）均與模式體積成反比（V-1），所以增大FSR的方法就是減小腔的體積。但是，狄拉克光腔的FSR與模式體系的根號(hào)成反比（V-1/2），所以在同等模式體積下FSR超過普通光腔（大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。形成這一區(qū)別的原因是普通光腔中的光子態(tài)密度為一個(gè)非零常數(shù)，模式等間距排布；而狄拉克點(diǎn)頻率處的光子態(tài)密度等于零，兩邊的模式間距（FSR）得以最大化。此外，任意模式簡并度是狄拉克渦旋腔另一個(gè)較為獨(dú)特的地方，因?yàn)轶w系的拓?fù)洳蛔兞繛闇u旋的纏繞數(shù)（winding number:w），所以拓?fù)渲行那荒５臄?shù)量等于w，可以是任意正負(fù)整數(shù)，而且所有w個(gè)拓?fù)淠Ｊ蕉冀咏l率簡并。高度簡并光腔能降低多模激光的空間相干性，可用于激光照明技術(shù)中。
此外，波長靈活性是TCSEL的另一個(gè)優(yōu)勢，如可以實(shí)現(xiàn)二維多波長面陣。VCSEL的垂直腔是在外延生長過程中形成的，不但激光波長受到材料生長的嚴(yán)重制約，而且其陣列在同片晶元上缺乏波長可調(diào)性。DFB可以調(diào)節(jié)波長，但由于邊發(fā)射的裂片制造工藝約束，只能實(shí)現(xiàn)一維多波長整列。相比之下，TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調(diào)節(jié)。
圖：TCSEL與現(xiàn)有商用單模激光器的對(duì)比
據(jù)陸凌團(tuán)隊(duì)介紹，“狄拉克渦旋”拓?fù)涔馇唬悄壳耙阎竺娣e單模性最好的光腔設(shè)計(jì)，可從原理上突破現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器出射功率和光束質(zhì)量不能并存的瓶頸。在最近這篇文章中，該團(tuán)隊(duì)得到遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)和性能。在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件10W峰值功率、小于1°的遠(yuǎn)場發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長陣列的集成能力。TCSEL的發(fā)明對(duì)于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)所需的三維感知和激光雷達(dá)等新興技術(shù)有重要意義。
以往半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)單模工作主要依靠基于光子晶體結(jié)構(gòu)的選模，比如早期的DFB激光器采用一維周期光柵結(jié)構(gòu)選模，但是兩個(gè)帶邊模式的相互競爭，導(dǎo)致單模工作較不穩(wěn)定。解決方案是引入一個(gè)缺陷（四分之一波長的相移），進(jìn)而在光子帶隙正中間產(chǎn)生一個(gè)缺陷模式，保證穩(wěn)定的單模工作。VCSEL激光器的諧振腔也同樣利用了帶間缺陷態(tài)來選模。然而，由于上述兩種主流產(chǎn)品均是采用一維光子晶體選模，因此其他兩個(gè)沒有周期結(jié)構(gòu)的方向就因沒有選模機(jī)制而難以在尺寸上超過波長量級(jí)，否則就會(huì)多模激射。器件尺寸上不去，單模功率也就遇到阻礙。一個(gè)自然的提高單模功率的方案是采用二維光子晶體結(jié)構(gòu)，而二維光子晶體面發(fā)射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers:PCSEL）的產(chǎn)品也已于2017年由日本濱松公司推出，其具有大面積單模輸出、高功率、窄發(fā)散角等優(yōu)勢，但PCSEL也至少有兩個(gè)高品質(zhì)因子（Q）的帶邊模式相互競爭。因此，如果能像一維主流產(chǎn)品DFB和VCSEL那樣，設(shè)計(jì)出魯棒的二維帶間缺陷模式，有可能成為未來高功率單模激光器的重要方向。
陸凌團(tuán)隊(duì)意識(shí)到DFB及VCSEL中的一維缺陷態(tài)其實(shí)是拓?fù)涞模c較多熟知的一維拓?fù)淠Ｐ拖嗟葍r(jià)，包括Shockely，Jackiw-Rebbi和SSH模式。特別是高能物理中的一維Jackiw-Rebbi模式有直接的二維對(duì)應(yīng)，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的質(zhì)量渦旋解，且原則上可在凝聚態(tài)體系的蜂窩晶格中用廣義的Kekulé調(diào)制來實(shí)現(xiàn)（HCM模型）。該團(tuán)隊(duì)的研究人員通過渦旋調(diào)制狄拉克光子晶體設(shè)計(jì)出這種拓?fù)涔馇唬⑶覍?shí)驗(yàn)上在硅晶片（SOI）上和光通信波段（1550nm）實(shí)現(xiàn)這種狄拉克渦旋腔。該腔可實(shí)現(xiàn)帶間單模、任意多簡并模式、最大的自由光譜范圍、小遠(yuǎn)場發(fā)散角、矢量光場輸出、模式面積從微米到毫米范圍可調(diào)以及多種襯底兼容等特性。
圖：狄拉克渦旋光腔與三種商用單模半導(dǎo)體激光腔的比較
大面積單模性是狄拉克渦旋腔有別于其他已知光腔的優(yōu)勢。光腔的單模性可用自由光譜范圍（Free Spectral Range:FSR）來表征，之前已知所有光腔的模式間距（FSR）均與模式體積成反比（V-1），所以增大FSR的方法就是減小腔的體積。但是，狄拉克光腔的FSR與模式體系的根號(hào)成反比（V-1/2），所以在同等模式體積下FSR超過普通光腔（大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。形成這一區(qū)別的原因是普通光腔中的光子態(tài)密度為一個(gè)非零常數(shù)，模式等間距排布；而狄拉克點(diǎn)頻率處的光子態(tài)密度等于零，兩邊的模式間距（FSR）得以最大化。此外，任意模式簡并度是狄拉克渦旋腔另一個(gè)較為獨(dú)特的地方，因?yàn)轶w系的拓?fù)洳蛔兞繛闇u旋的纏繞數(shù)（winding number:w），所以拓?fù)渲行那荒５臄?shù)量等于w，可以是任意正負(fù)整數(shù)，而且所有w個(gè)拓?fù)淠Ｊ蕉冀咏l率簡并。高度簡并光腔能降低多模激光的空間相干性，可用于激光照明技術(shù)中。
此外，波長靈活性是TCSEL的另一個(gè)優(yōu)勢，如可以實(shí)現(xiàn)二維多波長面陣。VCSEL的垂直腔是在外延生長過程中形成的，不但激光波長受到材料生長的嚴(yán)重制約，而且其陣列在同片晶元上缺乏波長可調(diào)性。DFB可以調(diào)節(jié)波長，但由于邊發(fā)射的裂片制造工藝約束，只能實(shí)現(xiàn)一維多波長整列。相比之下，TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調(diào)節(jié)。
圖：TCSEL與現(xiàn)有商用單模激光器的對(duì)比
