表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)不断打破记录，于2006年在-50°C下实现了85%的历史高效率。随后，在2007年，EEL还室温下达到76%的高效率。然而，在接下来的15年里，没有再创造新的效率记录，这些成就仍然是半导体激光器的巅峰之作。

相比之下，垂直腔面发射激光器(VCSEL)的效率提升则较慢。自2009年报告最高PCE为62%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。

由于其低功耗和高效率，VCSEL的早期应用主要集中在小型、低功耗消费电子产品和数据中心的短距离通信。近年来，随着智能技术的进步，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、短距离传感等领域得到广泛应用，并取得了显著成果。

近年来，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、拓扑激光器和医疗诊断等领域的巨大潜力。特别是自动驾驶中对远程传感技术的需求、高速数据处理中心中的人工智能计算能力以及VCSEL在智能和量子技术应用中的增长，凸显了能源消耗作为核心问题的重要性。

VCSEL的能源效率对移动设备和数据中心的能源消耗有重大影响。因此，开发超高效率VCSEL对于支持未来智能时代终端器件的发展至关重要，对推动绿色能源光子学的发展具有重要作用。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由中国四川大学电子与信息工程学院王军教授和中国苏州光大光电有限公司的王军教授领导的科学家团队和合作伙伴——研究人员利用多结级联有源区域技术实现了VCSEL效率突破。

通过采用反向隧道结实现有源区级联，增大了增益体积。这种设计策略允许载流子经历多次受激发射过程，从而不仅提高了器件的差分量子效率，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来实现指数级功率增长，使VCSEL作为自动驾驶汽车中LiDAR的激光源成为可行。然而，多结VCSEL最显着的潜在优势应该是其显着的效率提升。

因此，我们进行了理论模拟与实验相结合的系统研究，以研究多结VCSEL在电光转换效率方面的优势。

该团队模拟了多结VCSEL的缩放特性，并将其与单结VCSEL进行了比较。数值模拟表明，20结VCSEL在环境温度条件下电光转换效率可以超过88%。

实验上，15结VCSEL在室温下实现了74%的电光转换效率，斜率效率为15.6W/A，对应的微分量子效率超过1100%。研究人员认为，这种电光转换效率是迄今为止VCSEL领域报道的最高水平，而这种微分量子效率是半导体激光器有史以来报道的最高水平。

正如审稿人所说，“这确实代表了一个长期停滞的领域的重大突破。”

该研究的作者写道：“未来，我们还计划探索和拓展高效率、大功率多结VCSEL在通信领域的应用。

“该研究不仅为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，预计将对绿色能源光子学和激光产生重大影响物理。”