Recentemente, un team di laser a semiconduttore comprendente la Scuola di Scienze Interdisciplinari dell'Università Nazionale di Tecnologia della Difesa e Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. ha compiuto progressi significativi nella ricerca sui laser a semiconduttore a doppio colore. I risultati, intitolati "Il laser monolitico a disco semiconduttore bicolore da 960/1000 nm bi- offre una luminosità di oltre 300 MW/cm²sr", sono stati pubblicati su ACS Photonics. Zhang Zhicheng, assistente ricercatore presso l'USTC, è stato il primo autore, con i professori Wang Jun e Zhang Chao Fan come autori corrispondenti.
I laser a disco semiconduttore (SDL), noti anche come laser a emissione superficiale-a cavità verticale-(VECSEL), hanno attirato notevole attenzione negli ultimi anni. Combinando i vantaggi del guadagno dei semiconduttori e dei risonatori a stato solido, superano efficacemente i limiti dell'area di emissione dei laser a semiconduttore monomodali convenzionali, offrendo allo stesso tempo un design flessibile con bandgap a semiconduttore e caratteristiche di elevato guadagno del materiale. Trovano applicazioni in numerosi scenari, tra cui uscita laser a larghezza di linea stretta-a basso-rumore, generazione di impulsi ultraveloci ad alta-ripetizione-frequenza, generazione di armoniche ad alta-generazione e tecnologia della stella guida al sodio. La tecnologia avanzata richiede una maggiore flessibilità della lunghezza d’onda. Le sorgenti coerenti a doppia-lunghezza d'onda dimostrano un immenso potenziale in campi emergenti come il lidar anti-jamming, l'interferometria olografica, le comunicazioni multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, la generazione del medio-infrarosso o terahertz e i pettini di frequenza ottici multicolori. Ottenere un'emissione a doppia-lunghezza d'onda ad alta-luminosità eliminando la competizione di guadagno tra le lunghezze d'onda rimane una sfida significativa nei laser a disco semiconduttore.
Per affrontare questa sfida, il team del laser a semiconduttore ha proposto un design innovativo del chip. Attraverso approfonditi studi numerici, hanno scoperto che il controllo preciso del filtraggio del guadagno quantico dipendente dalla temperatura e degli effetti di filtraggio delle microcavità dei semiconduttori potrebbe consentire una regolazione flessibile del guadagno del doppio colore. Basandosi su ciò, il team ha progettato con successo un chip con guadagno di luminosità elevato-operante a 960/1000 nm. Questo laser funziona in modalità fondamentale limitata a quasi-diffrazione-, raggiungendo una luminosità in uscita di circa 310 mW/cm²sr.
Innovazioni nella ricerca
Figura 1: design del chip con guadagno a semiconduttore a doppia-lunghezza d'onda ad alta-luminosità
Lo strato di guadagno del wafer semiconduttore ha uno spessore di soli pochi micrometri e forma una microcavità Fabry-Perot tra l'interfaccia aerea-del semiconduttore e il riflettore Bragg distribuito sul substrato. Trattare la microcavità del semiconduttore come un filtro spettrale integrato modula il guadagno del pozzo quantico. Contemporaneamente, l'effetto di filtraggio della microcavità e il guadagno del semiconduttore mostrano tassi di deriva termica distinti. In combinazione con il controllo della temperatura, ciò consente la commutazione e la regolazione della lunghezza d'onda di uscita. Sfruttando queste proprietà, il team ha impostato computazionalmente il picco di guadagno del pozzo quantico a 950 nm a 300 K, con un tasso di deriva termica della lunghezza d'onda del guadagno di circa 0,37 nm/K. Successivamente, il team ha utilizzato il metodo della matrice di trasferimento per progettare i fattori di confinamento longitudinale del chip, ottenendo lunghezze d'onda di picco di circa 960 nm e 1000 nm. Le simulazioni hanno rivelato un tasso di deriva della temperatura di soli 0,08 nm/K. Utilizzando la deposizione in fase vapore di metalli organici-(MOCVD) per la crescita epitassiale, il team è riuscito a fabbricare chip con guadagno di alta-qualità attraverso l'ottimizzazione continua del processo. Le misurazioni della fotoluminescenza corrispondevano pienamente ai risultati della simulazione. Per mitigare il carico termico e consentire il funzionamento ad alta-potenza, è stato ulteriormente sviluppato un processo di confezionamento dei chip di diamante-semiconduttori.
Analisi completa delle caratteristiche di uscita dei chip di guadagno dei semiconduttori
Dopo il confezionamento del chip, il team ha condotto una valutazione completa delle prestazioni del laser. Nella modalità di funzionamento continuo, la lunghezza d'onda di emissione può essere regolata in modo flessibile tra 960 nm e 1000 nm controllando la potenza della pompa o la temperatura del dissipatore di calore. All'interno di uno specifico intervallo di potenza della pompa, il laser ha raggiunto anche il funzionamento a doppia-lunghezza d'onda con una spaziatura delle lunghezze d'onda di 39,4 nm, raggiungendo una potenza d'onda continua massima-di 3,8 W. Allo stesso tempo, il laser ha mantenuto un funzionamento in modalità fondamentale limitata vicino alla-diffrazione-con un fattore di qualità del raggio M² di soli 1,1 e una luminosità di circa 310 MW/cm²sr. Il team ha inoltre studiato le prestazioni dell'onda quasi-continua del laser. Inserendo un cristallo ottico non lineare LiB₃O₅ nella cavità del risonatore, hanno osservato con successo i segnali di frequenza somma-, confermando la sincronizzazione di entrambe le lunghezze d'onda.
Questo ingegnoso design del chip realizza un'integrazione organica del filtraggio del guadagno quantico e del filtraggio delle microcavità, gettando le basi progettuali per la realizzazione di sorgenti laser a doppia-lunghezza d'onda. In termini di parametri prestazionali, questo laser monolitico a doppia-lunghezza d'onda raggiunge elevata luminosità, elevata flessibilità e un'emissione precisa del raggio coassiale. La sua luminosità si colloca tra i livelli leader a livello mondiale nel campo attuale dei laser a semiconduttore monolitici a doppia-lunghezza d'onda. Per le applicazioni pratiche, questo risultato è promettente nei sistemi lidar multi-colore. Sfruttando le sue caratteristiche di elevata luminosità e doppia-lunghezza d'onda, può migliorare efficacemente la precisione del rilevamento radar e le capacità anti-interferenza in ambienti complessi. Nelle applicazioni con pettine di frequenza ottica, la sua stabile uscita a doppia-lunghezza d'onda fornisce un supporto fondamentale per misurazioni spettrali di precisione e rilevamento ottico ad alta-risoluzione. Guardando al futuro, il team prevede di approfondire la ricerca. Da un lato, mirano a sviluppare dispositivi elettro-pompati ottimizzando parametri come le dimensioni degli elettrodi e il drogaggio per aumentare ulteriormente la potenza in modalità singola-. Dall'altro, esploreranno nuovi laser a semiconduttore che emettono superfici di cristallo fotonico elettro-pompati-.
