实现100w~1kw单模工作PCSEL的一般方法

1、工作原理

光子晶体面发射激光器(PCSELs)工作在二维(2D)光子晶体的奇异点(Γ点, M点等)，其晶格(如正方形，三角形)由空气/半导体等两种折射率对比度较大的材料组成。在这种高对比度晶格中，基本布洛赫波和高阶布洛赫波都会相互耦合，形成稳定的二维驻波(或谐振)模式。当工作点设置在Γ点时，可实现从光子晶体表面垂直发射。

请注意，PCSEL不同于2D分布式反馈(DFB)激光器，后者的周期结构中具有较小的折射率对比度，如半导体/半导体(即全半导体)，因此不能促进除基波之外的高阶波之间的耦合；这种耦合的限制阻止了正方形晶格结构中最重要的TE模式的2D相干共振。这意味着由“全半导体”组成的PCSEL不能工作。

2、PCSEL的特点

由于二维广域相干谐振，PCSEL的亮度B可以显著提高。这里，亮度B定义为单位面积每单位立体角的光功率，与器件尺寸S成正比，与横向模数m和n成反比。在传统的FP半导体激光器中，当增大S以提高输出功率时，会发生多模振荡，m和n同时增大，因此，亮度B不能增加。同样，在垂直腔面发射激光器中，由于同样的原因，B不能增加。然而，在PCSEL中，由于m和n可以保持非常小(理想为零)，当S增加，亮度B跟着显著增加；与光纤激光器相当的亮度1-10 GW/cm2/sr有望实现。

PCSEL的光束发散角小和对称，光谱非常窄，理想情况下是单模，温度依赖性小。PCSEL可以应用于LiDAR，不需要透镜和机械旋转；PCSEL可以直接用于激光加工。因此，PCSEL有望为智能移动和智能制造的发展做出贡献。

3、 引入双晶格光子晶体，进一步提高亮度

在双晶格结构中较大和较小的晶格点结合在一起，位置偏差约为0.25a，其中a是晶格常数。在这种光子晶体结构中，由于两个晶格衍射的光波具有半波长的光程差，因此，180度衍射发生了消光干涉。这种破坏性的干涉导致光场的分散。于是高阶模的峰值靠近器件的边缘，高阶模被切断。这实现了高光束质量和高亮度。

4、器件性能示例

在倒装封装的器件中，输出光束从衬底侧发射。从L-I曲线可以看到能实现10W的输出功率和0.8W/a的高斜率效率。光束发散度非常小，达到了0.1度。

详细特征如下所示。该器件在-40~100℃范围内成功激射(注意测量温度范围受测量系统限制)，在固定电流注入下输出功率的温度依赖性平均为-0.36%/°C，与FP半导体激光器相当(甚至更好)。激光光谱的温度依赖性表明，在-40 ~ 100℃范围内实现了完全的单模振荡。激光波长对温度的依赖性小至0.08nm/°C，优于FP 激光器。通过串联方式引入三元阵列，可以提高斜率效率。

5、实现100w~1kw单模工作PCSEL的一般方法

通过进一步扩展上述双晶格光子晶体的概念，最近推导出了PCSEL超大面积单模工作的一般方法。在这里，不仅考虑了没有能量损失的光学耦合(厄米耦合)，还考虑了通过垂直辐射产生能量损失的耦合(非厄米耦合)，如下图所示。已经证明，通过合理降低两个耦合系数，高阶模的辐射损失可以比基模的辐射损失增加更多，同时保持两个耦合系数之间的平衡，可以实现稳定的单模激光。此外，还成功地揭示了具有双晶格光子晶体和背部反射镜的PCSEL允许任意控制厄米和非厄米光学耦合系数，以实现超大激光直径(≥310 mm)的100 w1 kw级单模激光。

6、高功能波束扫描PCSEL

作为一个高功能性的例子，基于PCSEL技术实现了非机械光束扫描。该功能对于超紧凑、可靠、稳定的激光雷达系统非常重要。最近发明的“双调制”PCSEL，其中晶格点的大小和位置是同时调制的。这使得包含发射方向的信息成为可能。通过将10×10个不同的双调制pcsel集成在一个二维矩阵中，实现了一种基于双调制光子晶体的电子二维光束扫描芯片，其中各个PCSEL可以独立驱动。