四川大学实现VCSEL激光器转换效率突破 促进自动驾驶激光雷达发展

自问世以来，边缘发射激光器（EEL）技术的功率转换效率（PCE）就在不断打破记录，在2006年时，其在-50°C的工作温度下达到了历史最高效率——85%。随后，2007年，在室温下，EEL技术达到了76%的高转换效率。然而，这之后的15年间，还没有创造出新的效率记录，上述效率就是半导体激光器所能达到的最高效率。

 

相比之下，垂直腔面发射激光器（VCSEL）的效率提升速度就较慢。自2009年其PCE最大效率达到了62%后，就没有取得任何较大的突破，因此VCSEL和EEL技术之间具有明显的性能差距。作为一种微型腔面激光器，在光子领域实现高效率转换一直是VCSEL面临的一项挑战。

 

由于功率和效率都低，VCSEL早期的应用主要集中于小型、低功耗消费电子产品以及数据中心的短程通信。近年来，随着智能技术的进步，低功耗VCSEL已经成为智能传感系统的一个关键核心光源芯片，在人脸识别和短程传感等领域被广泛应用并取得显著成功。

 

近年来，随着人工智能技术的快速发展，VCSEL在传感、通信、原子钟、光/量子计算、拓补激光和医学诊断等领域的应用潜力日益显现。尤其是，自动驾驶对远程传感技术需求增加、高速数据处理中心对AI计算能力的需要以及智能和量子技术应用中VCSEL数量增长，凸显了能耗这一核心问题对VCSEL的重要性。

 

VCSEL的能效对于移动设备和数据中心的能耗具有重要影响。因此，研发超高效率的VCSEL对于支持未来智能时代终端设备的发展至关重要，对于推动绿色能源光子学的发展也具有重要作用。

 

高效VCSEL激光器的应用（图片来源：phys.org）

 

据外媒报道，中国四川大学电子与信息工程学院的王君教授领导的一支科学家团队与中国苏州长光华芯光电技术有限公司（Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd）合作，利用多结级联有源区域技术实现了VCSEL效率的突破。

 

研究人员通过采用反向隧道结实现了有源区域级联，提高了效率增益总量。该设计策略允许载流子经受多次受激发射过程，从而不仅提升设备的差分量子效率，还保持了较低的电流阈值。

 

近年来，大量研究人员利用多结VCSEL实现了其功率的指数级增长，让VCSEL成为自动驾驶汽车激光雷达的激光源。然而，多结VCSEL最显著的优势应该在于其效率得到显著提升。

 

因此，研究人员将理论模拟与实验相结合，对多结VCSEL在电光转换效率方面的优势进行了系统研究。

该研究团队模拟了多结VCSEL的尺度特性，并让其与单结VCSEL进行比较。数值模拟结果表明，在室温条件下，20结VCSEL的电光转换效率可以超过88%。

 

实验结果表明，在室温条件下，15结VCSEL的电光转换效率达到了74%，斜率效率为15.6 W/A，对应的差分量子效率超过了1100%。研究人员们认为，此种电光转换效率是迄今为止VCSEL领域内达到的最高效率，而且其差分量子效率也是半导体激光器所能达到的最高效率。

 

该研究的作者表示：“未来，我们还计划探索和扩展高效率、高功率多结VCSEL在通信领域内的应用。该项研究不仅为VCSEL的进一步优化和应用提供了有价值的理论和实验证据，也为高转换效率的半导体激光器的进一步发展和应用提供了有价值的参考，预计可为绿色能源光子学和激光物理学产生重大影响。”

 

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