面发射半导体激光器实现效率突破

自问世以来，边发射激光器（EEL）技术的功率转换效率（PCE）不断刷新纪录，2006 年在 -50°C 温度下达到 85% 的历史最高效率。随后，在 2007 年，EEL 在室温下也达到了 76% 的高效率。然而，在随后的 15 年里，再也没有人创造新的效率记录，这些成就一直是半导体激光器的巅峰。

相比之下，垂直腔面发射激光器（VCSEL）的效率提高则较为缓慢。自 2009 年报告了 62% 的最高 PCE 以来，一直没有重大突破，凸显了 VCSEL 和 EEL 之间明显的性能差距。作为一种微腔激光器，在光子学领域实现高效转换一直是 VCSEL 面临的挑战。

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高效 VCSEL 在绿色能源光子学中的应用前景

由于功率和效率较低，VCSEL 的早期应用主要集中在小型、低功率消费电子产品和数据中心的短距离通信领域。近年来，随着智能技术的发展，低功耗 VCSEL 已成为智能传感系统的关键核心光源芯片，在人脸识别和短距离传感领域得到了广泛应用，并取得了显著成效。

最近，先进人工智能技术的快速发展揭示了 VCSEL 在传感、通信、原子钟、光学/量子计算、拓扑激光和医疗诊断等领域的巨大潜力。特别是自动驾驶对远距离传感技术的需求、高速数据处理中心对人工智能计算能力的需求以及 VCSEL 在智能和量子技术应用领域的发展，都凸显了能耗这一核心问题的重要性。

VCSEL 的能效对移动设备和数据中心的能耗有重大影响。因此，开发超高能效 VCSEL 对于支持未来智能时代终端设备的发展至关重要，并在推动绿色能源光子学的发展方面发挥着重要作用。

在发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，四川大学电子信息学院及长光华芯的王俊教授研究团队利用多结级联有源区技术实现了 VCSEL 效率的突破。

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多结级联垂直腔表面发射激光器的原理

通过采用反向隧道结实现有源区级联，增益体积得以增加。这种设计策略允许载流子经历多个受激发射过程，从而不仅提高了器件的微分量子效率，而且保持了较低的阈值电流。

因此，近年来，大量研究人员利用多结 VCSEL 实现了指数级功率增长，使 VCSEL 成为自动驾驶汽车激光雷达的可行激光源。然而，多结 VCSEL 最大的潜在优势应该是其显著的效率提高。

因此，我们结合理论模拟和实验进行了一项系统研究，以探讨多结 VCSEL 在电光转换效率方面的优势。

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半导体激光器的电光转换效率总结

研究小组模拟了多结 VCSEL 的缩放特性，并与单结 VCSEL 的缩放特性进行了比较。数值模拟表明，在环境温度条件下，20 结 VCSEL 的电光转换效率可超过 88%。

在实验中，15 结 VCSEL 在室温条件下的电光转换效率达到 74%，斜率效率为 15.6 W/A，相当于超过 1100% 的差量子效率。研究人员认为，这一电光转换效率是迄今为止 VCSEL 领域报告的最高效率，而这一差分量子效率也是半导体激光器领域报告的最高效率。

正如审稿人所说：“这的确是在一个长期停滞不前的领域取得的重大突破。”

该研究的作者写道：“未来，我们还计划探索和拓展高效率、高功率多结 VCSEL 在通信领域的应用。这项研究不仅为 VCSEL 的进一步优化和应用提供了宝贵的理论和实验依据，也为高 PCE 半导体激光器的进一步开发和应用提供了有价值的参考。它有望对绿色能源光子学和激光物理学产生重大影响。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-04-surface-emitting-semiconductor-laser-efficiency.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01403-7