大面积高功率940 nm光子晶体面发射激光器

唐英翔; 王超; 肖垚; 张志成; 罗晨; 仲崇喜; 张燕; 赵武; 李顺峰; 王文鑫; 王俊

doi:10.37188/CJL.20240264

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大面积高功率940 nm光子晶体面发射激光器

器件制备及器件物理 | 更新时间：2025-04-21

- 大面积高功率940 nm光子晶体面发射激光器
  增强出版
- Large-area High Power 940 nm Photonic Crystal Laser
- 发光学报 2025年46卷第4期页码：713-720
- 作者机构：
  
  1.淮阴工学院电子信息工程学院，江苏淮安 223003
  2.四川大学电子信息学院，四川成都 610041
  3.国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙 410003
  4.苏州长光华芯光电技术股份有限公司，江苏苏州 215163
- 作者简介：
  
  [ "唐英翔（2000-），男，黑龙江大庆人，硕士研究生，2022年于西安航空学院获得学士学位，主要从事光子晶体面发射半导体激光器芯片的研究。" ]
  [ "王超（1979-），女，江苏淮安人，博士，副教授，2019年于四川大学获得博士学位，主要从事光纤超连续谱激光及高功率半导体激光器的研究。" ]
  [ "王俊（1965-），男，江苏苏州人，博士，教授，博士生导师，2007年于加拿大麦克马斯特大学获得博士学位，主要从事高功率半导体激光器的研究。" ]
- 基金信息：
- DOI：10.37188/CJL.20240264
  中图分类号： TN248.4
- CSTR：32170. 14. CJL. 20240264
- 收稿日期：2024-12-03，
  
  修回日期：2024-12-21，
  
  纸质出版日期：2025-04-25
- 稿件说明：
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唐英翔,王超,肖垚等.大面积高功率940 nm光子晶体面发射激光器[J].发光学报,2025,46(04):713-720.

TANG Yingxiang,WANG Chao,XIAO Yao,et al.Large-area High Power 940 nm Photonic Crystal Laser[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):713-720.
唐英翔,王超,肖垚等.大面积高功率940 nm光子晶体面发射激光器[J].发光学报,2025,46(04):713-720. DOI： 10.37188/CJL.20240264. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240264.

TANG Yingxiang,WANG Chao,XIAO Yao,et al.Large-area High Power 940 nm Photonic Crystal Laser[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):713-720. DOI： 10.37188/CJL.20240264. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240264.

摘要

光子晶体面发射激光器（PCSEL）可以利用带边谐振效应实现大面积相干振荡，是一种能实现高亮度单模激射的新型半导体激光器。这使得PCSEL在激光雷达与3D传感等领域具有很好的应用前景。本文设计了一种正方单晶格非对称锥形空气孔结构的PCSEL，通过增加光子晶体占空比提高基模与高阶模之间的阈值差异，实现大模式面积下高功率单模激光输出。实验表明，研制的940 nm PCSEL在10 μs脉冲泵浦下输出功率达到5.1 W，斜率效率达到0.43 W/A，其远场光斑呈现出1°发散角的单瓣分布，并具有80%偏振度的线偏振特性；进一步地，在5 ns脉冲条件下，其输出功率高达35 W。该器件的研发可为激光雷达系统提供良好的光源。

Abstract

Photonic crystal surface emitting laser （PCSEL） can achieve large-area coherent oscillation by utilizing band-edge resonance effects， making it a new type of semiconductor laser capable of high-brightness single-mode emission， including highly collimated beams， power scaling with area， and low divergence angles， which gives PCSEL great application prospects in the fields such as lidar and 3D sensing. This paper designs a square single-crystal lattice asymmetric conical air hole structure for the PCSEL. By increasing the duty cycle of the photonic crystal， the threshold difference between the fundamental mode and higher-order modes is enhanced， enabling high-power single-mode laser output over a large mode area. Experimental results show that the developed 940 nm PCSEL achieves an output power of 5.1 W under 10 μs wide pulse pumping， with a slope efficiency of 0.43 W/A， and its far-field light spot exhibits a single-lobe distribution with a 1° far-field divergence angle， with a linearly polarized characteristic and an 80% polarization. Furthermore， under 5 ns narrow pulse conditions， the output power reaches as high as 35 W. The development of this device can provide a good light source for laser radar systems.

关键词

Keywords

references

陆寰宇，佟存柱，王子烨，等 . 带边模式光子晶体面发射半导体激光器研究进展［J］. 中国激光， 2020 ， 47 （ 7 ）： 0701014 . doi: 10.3788/cjl202047.0701014 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202047.0701014

LU H Y ， TONG C Z ， WANG Z Y ， et al . Research advancement on band-edge mode photonic crystal surface-emitting semiconductor laser ［J］. Chin. J. Lasers ， 2020 ， 47 （ 7 ）： 0701014 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl202047.0701014 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202047.0701014

CHENG C H ， SHEN C C ， KAO H Y ， et al . 850/940-nm VCSEL for optical communication and 3D sensing ［J］. Opto-Electron. Adv. ， 2018 ， 1 （ 3 ）： 180005 . doi: 10.29026/oea.2018.180005 http://dx.doi.org/10.29026/oea.2018.180005

PADULLAPARTHI B D . VCSELs for 3D sensing and computer vision ［M］. PADULLAPARTHI B D， TATUM J， IGA K. VCSEL Industry ： Communication and Sensing. Piscataway： Wiley-IEEE Press ， 2021 ： 105 - 128 . doi: 10.1002/9781119782223.ch5 http://dx.doi.org/10.1002/9781119782223.ch5

HAN Y Q ， LI Z ， WU L C ， et al . High-speed two-dimensional spectral-scanning coherent LiDAR system based on tunable VCSEL ［J］. J. Lightwave Technol. ， 2023 ， 41 （ 2 ）： 412 - 419 . doi: 10.1109/jlt.2022.3217088 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2022.3217088

张险峰，陈功，龙维，等 . 激光雷达直升机巡线技术的现状与应用前景［J］. 电力建设， 2008 ， 29 （ 3 ）： 40 - 43 . doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2008.03.012 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7229.2008.03.012

ZHANG X F ， CHEN G ， LONG W ， et al . Current status and prospects of helicopter power line inspection tour with LIDAR ［J］. Electric Power Construction ， 2008 ， 29 （ 3 ）： 40 - 43 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2008.03.012 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7229.2008.03.012

XIE T P ， ZHU J G ， JIANG C H ， et al . Situation and prospect of light and miniature UAV-borne LiDAR ［C］. Proceedings of SPIE 11322， XIV International Conference on Pulsed Lasers and Laser Applications， Tomsk， Russian Federation ， 2019 ： 1132210 . doi: 10.1117/12.2548426 http://dx.doi.org/10.1117/12.2548426

POULIOT N ， RICHARD P L ， MONTAMBAULT S . LineScout power line robot： characterization of a UTM-30LX LIDAR system for obstacle detection ［C］. Proceedings of 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems， Vilamoura-Algarve， Portugal ， 2012 ： 4327 - 4334 . doi: 10.1109/iros.2012.6385476 http://dx.doi.org/10.1109/iros.2012.6385476

王彪，黄硕，程林祥，等 . VCSEL型复合式CO和CH 4 激光气体检测系统的研究［J］. 激光杂志， 2021 ， 42 （ 6 ）： 12 - 15 .

WANG B ， HUANG S ， CHENG X L ， et al . Research on VCSEL composite CO and CH 4 laser gas detection system ［J］. Laser J. ， 2021 ， 42 （ 6 ）： 12 - 15 . （in Chinese）

YU C X ， YU Y ， WANG Z J ， et al . The current state of development in underwater Lidar detection ［C］. Proceedings of SPIE 13153， Sixth Conference on Frontiers in Optical Imaging Technology and Applications （FOI2023）， Nanjing， China ， 2024 ： 1315314 . doi: 10.1117/12.3018613 http://dx.doi.org/10.1117/12.3018613

XIAO Y ， WANG J ， LIU H ， et al . Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74% ［J］. Light： Sci. Appl. ， 2024 ， 13 ： 60 . doi: 10.1038/s41377-024-01403-7 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01403-7

ZHANG C ， LI H J ， LIANG D . Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR ［J］. Nat. Commun. ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 1105 . doi: 10.1038/s41467-024-44754-w http://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-44754-w

IMADA M ， NODA S ， CHUTINAN A ， et al . Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 1999 ， 75 （ 3 ）： 316 - 318 . doi: 10.1063/1.124361 http://dx.doi.org/10.1063/1.124361

HIROSE K ， LIANG Y ， KUROSAKA Y ， et al . Watt-class high-power， high-beam-quality photonic-crystal lasers ［J］. Nat. Photonics ， 2014 ， 8 （ 5 ）： 406 - 411 . doi: 10.1038/nphoton.2014.75 http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2014.75

HIROSE K ， KUROSAKA Y ， WATANABE A ， et al . Realization of high-power narrow beam divergence in photonic-crystal surface-emitting laser ［C］. Proceedings of SPIE 9002 ， Novel In-Plane Semiconductor Lasers 􀃼， San Francisco， CA， USA ， 2014 ： 90021 J. doi: 10.1117/12.2038659 http://dx.doi.org/10.1117/12.2038659

洪国彬，杨钧杰，卢廷昌 . 蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器［J］. 中国光学， 2014 ， 7 （ 4 ）： 559 - 571 . doi: 10.3788/co.20140704.0559 http://dx.doi.org/10.3788/co.20140704.0559

HONG K B ， YANG C C ， LU T C . Blue-violet GaN-based photonic crystal surface emitting lasers ［J］. Chin. Opt. ， 2014 ， 7 （ 4 ）： 559 - 571 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20140704.0559 http://dx.doi.org/10.3788/co.20140704.0559

WATANABE A ， HIROSE K ， SUGIYAMA T ， et al . Fabrication and characterization of photonic-crystal surface-emitting lasers with triangular double-hole lattice points ［C］. Proceedings of SPIE 10123 ， Novel In-Plane Semiconductor Lasers XVI， San Francisco， CA， USA ， 2017 ： 101231 O. doi: 10.1117/12.2250104 http://dx.doi.org/10.1117/12.2250104

袁浚，张正平，解意洋 . 新型正方晶格基横模光子晶体面发射激光器［J］. 红外与激光工程， 2018 ， 47 （ 6 ）： 0606005 . doi: 10.3788/irla201847.0606005 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0606005

YUAN J ， ZHANG Z P ， XIE Y Y ， et al . Study of single-fundamental-mode square-lattice photonic crystal vertical cavity surface emitting laser ［J］. Infrared Laser Eng. ， 2018 ， 47 （ 6 ）： 0606005 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201847.0606005 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0606005

LU H Y ， TIAN S C ， TONG C Z ， et al . Extracting more light for vertical emission： high power continuous wave operation of 1.3 μm quantum-dot photonic-crystal surface-emitting laser based on a flat band ［J］. Light： Sci. Appl. ， 2019 ， 8 ： 108 . doi: 10.1038/s41377-019-0214-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-019-0214-2

HSU M Y ， LIN G ， PAN C H . Electrically injected 1.3 μm quantum-dot photonic-crystal surface-emitting lasers ［J］. Opt. Express ， 2017 ， 25 （ 26 ）： 32697 - 32704 . doi: 10.1364/oe.25.032697 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.032697

YANG L C ， LI G R ， GAO X M ， et al . Topological-cavity surface-emitting laser ［J］. Nat. Photonics ， 2022 ， 16 （ 4 ）： 279 - 283 . doi: 10.1038/s41566-022-00972-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-022-00972-6

HONG K B ， CHEN L R ， HUANG K C ， et al . Impact of air-hole on the optical performances of epitaxially regrown p-side up photonic crystal surface-emitting lasers ［J］. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. ， 2021 ， 28 （ 1 ）： 1700207 . doi: 10.1109/jstqe.2021.3095961 http://dx.doi.org/10.1109/jstqe.2021.3095961

MORITA R ， ISHIMURA S ， INOUE T ， et al . High-speed high-power free-space optical communication via directly modulated watt-class photonic-crystal surface-emitting lasers ［J］. Optica ， 2024 ， 11 （ 7 ）： 971 - 979 . doi: 10.1364/optica.523421 http://dx.doi.org/10.1364/optica.523421

AOKI T ， ITOH Y ， FUJII K ， et al . High-power， stable single-mode CW operation of 1 550 nm wavelength InP-based photonic-crystal surface-emitting lasers ［J］. Appl. Phys. Express ， 2024 ， 17 （ 4 ）： 042004 . doi: 10.35848/1882-0786/ad3cb4 http://dx.doi.org/10.35848/1882-0786/ad3cb4

刘启发，刘珂，李皖晴，等 . 基于场分布调控和多孔氮化镓DBR的蓝光光子晶体面发射激光器设计［J］. 光学学报， 2024 ， 44 （ 20 ）： 2014003 .

LIU Q F ， LIU K ， LI W Q ， et al . Design of blue band photonic-crystal surface-emitting lasers based on field distribution modulation and porous GaN DBR ［J］. Acta Opt. Sinica ， 2024 ， 44 （ 20 ）： 2014003 . （in Chinese）

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