Recentemente, uma equipe de laser semicondutor composta pela Escola de Ciências Interdisciplinares da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa e Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. fez progressos significativos na pesquisa de laser semicondutor de duas{2}} cores. As descobertas, intituladas "O laser de disco semicondutor monolítico bi-colorido de 960/1000 nm oferece um brilho de mais de 300 MW/cm²sr", foram publicadas na ACS Photonics. Zhang Zhicheng, pesquisador assistente da USTC, foi o primeiro autor, com os professores Wang Jun e Zhang Chao Fan como autores correspondentes.
Os lasers de disco semicondutor (SDLs), também conhecidos como lasers emissores de-superfícies de cavidades-verticais (VECSELs), têm recebido atenção significativa nos últimos anos. Combinando as vantagens do ganho de semicondutor e dos ressonadores de estado{3}}sólido, eles superam efetivamente as limitações da área de emissão dos lasers semicondutores-de modo único convencionais, ao mesmo tempo que oferecem design flexível de bandgap de semicondutores e características de alto ganho de material. Eles encontram aplicações em vários cenários, incluindo saída de laser de largura de linha estreita-de baixo-ruído-, geração de pulsos com taxa de-repetição-alta e ultrarrápida, geração de-harmônicos altos e tecnologia de estrela guia de sódio. O avanço da tecnologia exige maior flexibilidade de comprimento de onda. Fontes coerentes de{13}comprimentos de onda duplos demonstram imenso potencial em campos emergentes, como lidar anti{14}}jamming, interferometria holográfica, comunicações de multiplexação por divisão de comprimento de onda, geração de-infravermelho médio ou terahertz e pentes de frequência óptica multicoloridos. Alcançar emissão de comprimento de onda duplo-de alto brilho e ao mesmo tempo suprimir a competição de ganho entre comprimentos de onda continua sendo um desafio significativo em lasers de disco semicondutores.
Para enfrentar esse desafio, a equipe do laser semicondutor propôs um design inovador de chip. Por meio de-estudos numéricos aprofundados, eles descobriram que o controle preciso da filtragem de ganho de poço quântico-dependente da temperatura e dos efeitos de filtragem de microcavidades semicondutoras poderia permitir uma regulação flexível-do ganho de cor dupla. Com base nisso, a equipe projetou com sucesso um chip de alto-ganho de brilho operando em 960/1000 nm. Este laser opera em modo fundamental quase limitado de-difração-, alcançando um brilho de saída de aproximadamente 310 mW/cm²sr.
Inovações em pesquisa
Figura 1: Projeto de chip de ganho semicondutor de alto-comprimento de onda duplo-de alto brilho
A camada de ganho do wafer semicondutor tem apenas alguns micrômetros de espessura, formando uma microcavidade Fabry-Perot entre a interface de ar-do semicondutor e o refletor de Bragg distribuído no substrato. Tratar a microcavidade semicondutora como um filtro espectral integrado modula o ganho do poço quântico. Simultaneamente, o efeito de filtragem de microcavidades e o ganho de semicondutores exibem taxas distintas de desvio de temperatura. Combinado com o controle de temperatura, isso permite a comutação e regulação do comprimento de onda de saída. Aproveitando essas propriedades, a equipe definiu computacionalmente o pico de ganho do poço quântico em 950 nm a 300 K, com uma taxa de desvio de temperatura do comprimento de onda de ganho de aproximadamente 0,37 nm/K. Posteriormente, a equipe empregou o método da matriz de transferência para projetar os fatores de confinamento longitudinal do chip, alcançando comprimentos de onda de pico de aproximadamente 960 nm e 1000 nm. Simulações revelaram uma taxa de desvio de temperatura de apenas 0,08 nm/K. Usando a deposição de vapor químico-orgânico de metal (MOCVD) para crescimento epitaxial, a equipe fabricou com sucesso chips de alto-ganho de qualidade por meio da otimização contínua do processo. As medições de fotoluminescência corresponderam totalmente aos resultados da simulação. Para mitigar a carga térmica e permitir a operação de alta-potência, um processo de empacotamento de chip semicondutor-diamante foi desenvolvido.
Análise abrangente das características de saída do chip de ganho de semicondutores
Após a embalagem do chip, a equipe conduziu uma avaliação abrangente do desempenho do laser. No modo de operação contínua, o comprimento de onda de emissão pode ser ajustado de forma flexível entre 960 nm e 1000 nm, controlando a potência da bomba ou a temperatura do dissipador de calor. Dentro de uma faixa de potência de bomba específica, o laser também alcançou operação de comprimento de onda duplo com um espaçamento de comprimento de onda de 39,4 nm, atingindo uma potência de onda contínua máxima de 3,8 W. Ao mesmo tempo, o laser manteve operação em modo fundamental quase limitado de -difração-com um fator de qualidade de feixe M² de apenas 1,1 e um brilho de aproximadamente 310 MW/cm²sr. A equipe também investigou o desempenho de onda quase{14}contínua do laser. Ao inserir um cristal óptico não linear LiB₃O₅ na cavidade do ressonador, eles observaram com sucesso sinais de soma-de frequência, confirmando a sincronização de ambos os comprimentos de onda.
Esse design engenhoso de chip alcança uma integração orgânica de filtragem de ganho de poço quântico e filtragem de microcavidades, estabelecendo a base do projeto para a realização de fontes de laser de comprimento de onda duplo. Em termos de métricas de desempenho, este laser monolítico de comprimento de onda duplo-atinge alto brilho, alta flexibilidade e saída de feixe coaxial preciso. Seu brilho está entre os principais níveis do mundo no campo atual de lasers semicondutores monolíticos de comprimento de onda duplo. Para aplicações práticas, essa conquista é promissora em sistemas lidar multi-coloridos. Aproveitando seu alto brilho e características de{8}comprimento de onda duplo, ele pode efetivamente melhorar a precisão da detecção de radar e os recursos anti{9}}interferência em ambientes complexos. Em aplicações de pente de frequência óptica, sua saída estável de-comprimento de onda duplo fornece suporte essencial para medições espectrais de precisão e detecção óptica de-alta resolução. Olhando para o futuro, a equipe planeja aprofundar suas pesquisas. Por um lado, eles pretendem desenvolver dispositivos eletro{15}}bombeados otimizando parâmetros como dimensões de eletrodos e dopagem para aumentar ainda mais a potência de-modo único. Por outro lado, eles explorarão novos lasers semicondutores emissores de superfície de cristal fotônico eletro-bombeados.
