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03/25
2024
j9國際站備用CTO、四川大學王俊教授研究團隊近期在Light: Science & Applications發(fā)布最新研究成果，通過理論模擬與實驗相結合系統(tǒng)研究多結VCSEL在電光轉換效率的優(yōu)勢。模擬表明，20 結 VCSEL 在室溫下可以實現(xiàn)超過 88% 的效率。并通過實驗實現(xiàn)了15結VCSEL在室溫下實現(xiàn)最高74%的效率，相應的微分量子效率超過1100%，是迄今為止報道的VCSEL最大的電光轉換效率和微分量子效率，打破近20年來VCSEL效率發(fā)展停滯的局面，改變了VCSEL在效率上無法超過邊發(fā)射激光器的固有認知！
這項研究將為高效率半導體激光器（特別是VCSEL）的進一步開發(fā)和應用(激光雷達，高速通信及數(shù)據(jù)中心算力)提供有價值的參考，并對推動綠色能源光子學產(chǎn)生重大影響。
相關成果以“Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%”為題在線發(fā)表在Light: Science & Applications。四川大學博士研究生肖垚為第一作者，王俊教授為通訊作者。
Light:Science & Applications
Light: Science & Applications創(chuàng)刊于2012年3月29日，是由中科院長春光機所與英國自然出版集團(NPG)合作出版的全英文開放獲取國際光學學術期刊，2013年10月先后被國際著名檢索系統(tǒng)SCI 及Scopus收錄，影響因子為19.4，連續(xù)9年穩(wěn)居世界光學期刊榜前3位，屬于SCI一區(qū)，在光學期刊領域具有較高的影響力和學術水平，屬于頂級期刊之一。同時也是中國國產(chǎn)化期刊的佼佼者，連續(xù)8年獲“中國最具國際影響力學術期刊”稱號。
半導體激光器自問世以來，與其他類型的激光器相比，其中最引人注目之一的優(yōu)勢是能夠實現(xiàn)極高的電光轉換效率。?追求半導體激光器的超高效率仍然是光子學和激光物理學的一個重要目標。?邊發(fā)射半導體激光器（EEL）自誕生起，其功率轉換效率（PCE）的記錄不斷刷新，2006年在-50℃下達到了85%的歷史最高效率記錄。緊接著，2007年，EEL在室溫條件下也達到了76%的高效率。然而，此后十五年間，再無新的效率記錄出現(xiàn)，這些記錄一直代表著半導體激光器的最高記錄。與EEL不同，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的效率提升速度較慢，自2009年報告62%的最高PCE以來，未有顯著突破，顯示出與EEL明顯的性能差異。VCSEL作為微腔激光器，其在光子學領域內(nèi)實現(xiàn)高效率轉換一直是個難題。
因其低的功率和效率，VCSEL的早期應用主要在小型、低功耗消費電子和數(shù)據(jù)中心的短距離通信上。近年來，隨著智能技術進步，低功率的VCSEL已成為智能傳感系統(tǒng)的關鍵核心光源芯片，廣泛應用于面部識別和短距離傳感，取得顯著成功。近期，先進的人工智能技術快速發(fā)展，使得VCSEL在傳感、通信、原子鐘、光學/量子計算、拓撲激光和醫(yī)學檢查等多領域的有著巨大應用潛力。尤其是自動駕駛的長程傳感技術、高速數(shù)據(jù)處理中心的AI計算算力需求，以及VCSEL在智能與量子技術應用中的增長，突顯了能源消耗作為一個核心問題。VCSEL的能效對于移動設備和數(shù)據(jù)中心的能耗有著重要的影響。因此，開發(fā)超高效VCSEL對于支持未來智能時代的終端設備發(fā)展至關重要。對推動綠色能源光子學的發(fā)展也有著重要的影響。
然而，早在1984年，日本東京工業(yè)大學的Kenichi Iga教授提出了一種創(chuàng)新的設計方法，如圖1所示，通過使用反向隧道結來實現(xiàn)有源區(qū)的級聯(lián)，以增加增益體積。這種設計策略使得載流子能夠經(jīng)歷多次受激發(fā)射過程，從而不僅提高了器件的微分量子效率，還保持了較低的閾值電流。因此，近年來大量研究人員利用多結VCSEL來實現(xiàn)功率的成倍增長，使得 VCSEL已經(jīng)可用作無人駕駛汽車的激光雷達光源。然而，多結VCSEL最顯著的潛在優(yōu)勢應該是其顯著的效率提升。因此，通過理論模擬與實驗相結合系統(tǒng)研究多結VCSEL在電光轉換效率的優(yōu)勢。
圖1 （a）結構示意圖，包括N型分布式布拉格反射器（N-DBR）、P型分布式布拉格反射器（P-DBR）、多量子阱（MQW）、氧化層、隧道結（TJ）（b）3結VCSEL的折射率分布、駐波光場分布（c）有源區(qū)能帶結構，通過隧道結級聯(lián)多個有源區(qū)，實現(xiàn)了多次電子躍遷的機制（d）偏壓下的隧道結能帶結構
仿真結果如圖2所示，隨著VCSEL中結數(shù)量的增加，VCSEL的PCE有顯著的提高。20結VCSEL可實現(xiàn)88%的電光轉換效率，該電光轉換效率已經(jīng)超過了EEL實驗研究中報道的低溫工作條件下的最高PCE值。
圖2?不同結數(shù)VCSEL的PCE數(shù)值模擬
研究人員制備了不同結數(shù)VCSEL器件，并對其進行性能測試，實驗結果圖3所示，具15 結 VCSEL 在電流為 7mA 時峰值功率超過了100 mW，最大電光轉換效率達到74%，斜率效率為15.6 W/A(其微分量子效率超過1100%)，這是迄今為止報道的VCSEL最大的電光轉換效率和微分量子效率。
圖3?（a）不同結數(shù)的?VCSEL 的L-I-V特性
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? ? ? ? ?(b)?不同結數(shù)VCSEL的電光轉換效率
為了更深入地探究15結VCSEL的電光轉換效率增強機制，研究人員基于LIV數(shù)據(jù)進行了詳細的功耗分析。如圖4所示，對比了單結和15結的能耗占比。顯然，隨著結數(shù)量的增加，能量消耗的主要減少主要歸因于電阻引起的焦耳熱比例的下降以及自由載流子吸收導致的內(nèi)部損耗。這是因為：隨著結數(shù)增加，多結VCSEL的增益成倍增加，而級聯(lián)有源層共用一個諧振腔使得電阻和吸收損耗并沒有成倍增加，因此，焦耳熱和內(nèi)損耗占比降低，效率提升。然而，對于多結EEL，其結構僅僅為單結EEL的空間堆疊，因此其不能實現(xiàn)效率提升，同時其增加的功率的也為非相關光束的疊加。
圖4 (a)單結VCSEL能耗比?(b)15結VCSEL能耗比
研究人員統(tǒng)計了歷年來半導體激光的效率發(fā)展圖，如圖5所示，正如審稿人所提及：這確實是一個長久停滯領域的一個重要的突破。
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圖5?半導體激光器電光轉換效率總結
總結與展望
我們模擬了多結 VCSEL的縮放特性，并與單結 VCSEL 進行了比較。數(shù)值模擬表明，20結VCSEL在環(huán)境溫度條件下的電光轉換效率可超過88%，實驗上15結VCSEL在室溫環(huán)境下實現(xiàn)了74%的電光轉換效率，15.6W/A的斜率效率，其對應的微分量子效率超過1100%。據(jù)我們所知，這一電光轉換效率是迄今為止 VCSEL 領域報道的最高效率，該微分量子效率是迄今為止半導體激光器中報道的最高值。未來我們還計劃探索拓展高效率、大功率多結VCSEL在通信領域的應用。該研究不僅為VCSEL的進一步優(yōu)化和應用提供了有價值的理論和實驗證據(jù)，也將為高PCE半導體激光器的進一步開發(fā)和應用提供有價值的參考，對綠色能源光子學和激光物理產(chǎn)生重大影響。
論文信息Xiao, Y., Wang, J., Liu, H.?et al.?Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%.?Light Sci Appl?13, 60 (2024).?http://doi.org/10.1038/s41377-024-01403-7
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