Het nieuwste onderzoek naar tweekleurige halfgeleiderlasers

Het nieuwste onderzoek naar tweekleurige halfgeleiderlasers

Halfgeleiderschijflasers (SDL-lasers), ook wel bekend als verticale externe-caviteit-oppervlakte-emitterende lasers (VECSEL), hebben de afgelopen jaren veel aandacht getrokken. Ze combineren de voordelen van halfgeleiderversterking en vaste-stofresonatoren. Ze verlichten niet alleen effectief de beperking van het emissiegebied van single-mode lasers in conventionele halfgeleiderlasers, maar bieden ook een flexibel ontwerp van de halfgeleiderbandgap en hoge materiaalversterkingseigenschappen. Ze zijn te vinden in een breed scala aan toepassingsscenario's, zoals ruisarme lasers.smalle-lijnbreedte laseroutput, ultrakorte pulsgeneratie met hoge herhalingsfrequentie, generatie van hogere-orde harmonischen en natriumgeleidingsstertechnologie, enz. Met de technologische vooruitgang worden er hogere eisen gesteld aan de golflengteflexibiliteit. Zo hebben coherente lichtbronnen met twee golflengten een extreem hoge toepassingswaarde aangetoond in opkomende gebieden zoals anti-interferentie lidar, holografische interferometrie, golflengteverdelingmultiplexingcommunicatie, midden-infrarood- of terahertzgeneratie en meerkleurige optische frequentiekammen. Hoe een hoge helderheid in tweekleurige emissie in halfgeleiderschijflasers te bereiken en tegelijkertijd de versterkingsconcurrentie tussen meerdere golflengten effectief te onderdrukken, is altijd een onderzoeksuitdaging geweest op dit gebied.

Onlangs is er een tweekleurigehalfgeleiderlaserEen team in China heeft een innovatief chipontwerp voorgesteld om deze uitdaging aan te gaan. Door middel van diepgaand numeriek onderzoek ontdekten ze dat nauwkeurige regulering van de temperatuurafhankelijke kwantumputfiltering en de halfgeleidermicroholtefiltering flexibele controle van de tweekleurige versterking mogelijk maakt. Op basis hiervan heeft het team met succes een chip met hoge helderheid ontworpen voor 960/1000 nm. Deze laser werkt in de grondmodus nabij de diffractielimiet, met een uitgangshelderheid van maar liefst circa 310 MW/cm²sr.

De versterkingslaag van de halfgeleiderschijf is slechts enkele micrometers dik en er wordt een Fabry-Perot-microholte gevormd tussen het grensvlak tussen de halfgeleider en de lucht en de onderste gedistribueerde Bragg-reflector. Door de halfgeleidermicroholte te beschouwen als het ingebouwde spectrale filter van de chip, wordt de versterking van de kwantumput gemoduleerd. Tegelijkertijd hebben het filtereffect van de microholte en de halfgeleiderversterking verschillende temperatuurdriftsnelheden. In combinatie met temperatuurregeling kan het schakelen en reguleren van de uitgangsgolflengten worden gerealiseerd. Op basis van deze eigenschappen berekende en stelde het team de versterkingspiek van de kwantumput in op 950 nm bij een temperatuur van 300 K, met een temperatuurdriftsnelheid van de versterkingsgolflengte van ongeveer 0,37 nm/K. Vervolgens ontwierp het team de longitudinale beperkingsfactor van de chip met behulp van de transmissiematrixmethode, met piekgolflengten van respectievelijk ongeveer 960 nm en 1000 nm. Simulaties toonden aan dat de temperatuurdriftsnelheid slechts 0,08 nm/K bedroeg. Door gebruik te maken van metaal-organische chemische dampafzettingstechnologie voor epitaxiale groei en het groeiproces continu te optimaliseren, zijn met succes hoogwaardige versterkingschips geproduceerd. De meetresultaten van fotoluminescentie komen volledig overeen met de simulatieresultaten. Om de thermische belasting te verminderen en een hoge vermogensoverdracht te realiseren, is het verpakkingsproces van de halfgeleider-diamantchip verder ontwikkeld.

Na de chipverpakking voerde het team een ​​uitgebreide evaluatie uit van de laserprestaties. In de continue bedrijfsmodus kan de emissiegolflengte flexibel worden aangepast tussen 960 nm en 1000 nm door het pompvermogen of de temperatuur van de koelplaat te regelen. Binnen een bepaald bereik kan de laser ook werken met twee golflengten, met een golflengte-interval tot 39,4 nm. In dat geval bereikt het maximale continue vermogen 3,8 W. Tegelijkertijd werkt de laser in de fundamentele modus nabij de diffractielimiet, met een bundelkwaliteitsfactor M² van slechts 1,1 en een helderheid van maar liefst 310 MW/cm²sr. Het team onderzocht tevens de quasi-continue prestaties van de laser.laserHet somfrequentiesignaal werd succesvol waargenomen door het LiB₃O₅ niet-lineaire optische kristal in de resonantieholte te plaatsen, waarmee de synchronisatie van de twee golflengten werd bevestigd.

Dankzij dit ingenieuze chipontwerp is een organische combinatie van kwantumputfiltering en microholtefiltering gerealiseerd, waarmee een basis is gelegd voor de ontwikkeling van tweekleurige laserbronnen. Wat betreft prestatie-indicatoren bereikt deze tweekleurige laser op één chip een hoge helderheid, grote flexibiliteit en een nauwkeurige coaxiale bundeluitvoer. De helderheid is toonaangevend op internationaal niveau in het huidige veld van tweekleurige halfgeleiderlasers op één chip. In de praktijk zal deze prestatie naar verwachting de detectienauwkeurigheid en de anti-interferentiecapaciteit van meerkleurige lidar in complexe omgevingen aanzienlijk verbeteren door gebruik te maken van de hoge helderheid en de tweekleurige eigenschappen. Op het gebied van optische frequentiekammen kan de stabiele tweegolfuitvoer cruciale ondersteuning bieden voor toepassingen zoals nauwkeurige spectrale metingen en optische sensoren met hoge resolutie.