单模半导体激光器可实现高功率和尺寸扩展性

近日，由美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究人员开发的半导体激光器，在光学领域实现了一个难以捉摸的目标：在保持单模发射光的同时保持尺寸和功率的扩展。开发团队表示，这项工作表明尺寸不必以牺牲相干性为代价，这使得激光器在许多应用中更强大，可以覆盖更长的距离。

该项研究由该校电气工程与计算机科学系（EECS）Chenming Hu副教授、劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的科学家Boubacar Kanté所领导，半导体膜上穿孔的孔间距均匀，大小相同，可以作为一个可扩展的激光腔。他们表明，无论腔的大小，激光都会发出一致的单波长。

“自从1960年第一台激光器问世以来，增加单模激光器的尺寸和功率一直是光学领域的一大挑战，”Kanté说，“60年后，我们证明了在激光器中实现这一挑战是可能的。”

BerkSEL激光器示意图，说明泵浦光束（蓝色）和激光光束（红色）。半导体膜的非常规设计使所有单元电池或谐振器同相同步

在激光器中，随着激光腔尺寸的增大，相干单波长平行光开始分解。标准的解决方法是使用诸如波导之类的外部机制来放大光束。然而，这会占用大量空间。Kanté说：“通过消除外部放大的需要，可以缩小计算机芯片并提高依赖激光器的计算机芯片和其他组件的效率。”

这项工作与VCSEL技术特别相关；在VCSEL中，光从芯片垂直发射。VCSEL通常只有几微米宽。目前用于提高功率的策略是将数百个单独的VCSEL聚集在一起。由于激光器是独立的，它们的相位和波长不同，因此它们的功率不一致。

“这在面部识别等应用中是可以容忍的，但在通信或手术等精度至关重要的情况下，这是不能接受的。”该研究的联合首席作者、EECS博士生Rushin Contractor说。研究发现，被称为表面发射的BerkSEL激光器设计是基于激光通过膜孔的物理性质，从而实现单模激光发射。膜孔是一层200nm厚的砷化铟镓磷化物，是一种常用于光纤和电信技术的半导体。

光刻蚀刻的孔必须具有固定的大小、形状和间距。这些点充当狄拉克点，这是基于能量线性色散的二维材料的拓扑特征。研究人员指出，光从一个点传播到另一个点的相位等于折射率与行驶距离的乘积。由于狄拉克点处的折射率为零，因此从半导体不同部分发射的光完全同相，因此在光学上相同。

EECS博士后研究员Walid Redjem谈到：“我们研究中的膜大约有3000个孔，但从理论上讲，它可能有100万或10亿个孔，结果应该是一样的。”研究人员使用高能脉冲激光器光学泵浦并为BerkSEL设备提供能量。他们使用针对近红外光谱优化的共聚焦显微镜，测量了每个孔径的发射。

选择本研究中使用的半导体材料和结构尺寸，以实现电信波长的激光发射。作者指出，BerkSEL激光器可以通过调整设计规格（例如孔尺寸和半导体材料）来实现不同目标波长的输出。