Light | 具有高發射功率的單模準PT對稱雷射器
導讀
大面積雷射器可用于産生高輸出功率雷射。然而，代價是引入高階模式而降低光束品質。作者通過實驗展示了一種新型電泵浦大面積邊發射雷射器，它具有高發射功率（∼0.4 W） 和高品質光束 (M2~1.25)。該雷射器是通過在大面積雙模雷射器腔體的二階模式和單模輔助伴侶腔的二階模式之間建立準宇稱時間（PT）對稱性來實作的，即通過在兩個耦合的腔體之間實作部分等譜性。以此擴大高階模式的有效體積。
研究背景
半導體雷射器的發明已經徹底改變了現代光學技術，在工業、電信、生物和太空探索中的應用不勝枚舉。雖然半導體平台中雷射發射背後的基本原理已廣為人知，但研究人員一直緻力于優化半導體雷射器的性能，包括功率轉換效率、輸出功率、光束品質、雷射能級、光譜特性、尺寸、對不良噪聲的魯棒性和熱管理、可靠性等。目前，半導體雷射器的制造主要分為兩種：即垂直腔面發射雷射器（VCSEL）和邊發射雷射二極管（EE-LD）。相比之下，VCSEL具有近乎完美的高斯模式，而EE-LD擁有更高的功率水準。然而，EE-LD的輸出功率主要受限于總注入電流，但增加泵浦電流會導緻機關橫截面積上電流密度增加，進而觸發輸出限制效應，例如非線性損耗和光學災變損傷等。可以通過擴大橫截面以獲得更高的功率，同時将電流密度保持在損傷門檻值以下。
目前，非厄米光子學的概念也被用于設計和提高片上雷射系統的性能。從理論上提出并通過實驗驗證了宇稱時間（PT）對稱性可以通過倏逝場濾波來抑制高階橫模。還展示了具有單縱模雷射的PT對稱雷射器等。此外，據報道，非厄米效應和其他對稱性概念，如超對稱性和拓撲不變量之間的互相作用，可以被用來建立新型的雷射器。然而，到目前為止，尚不清楚這些設計概念是否可以擴充到實際裝置，因為更高的載流子濃度和光功率可能會引起熱效應和諧振頻率偏移進而降低裝置性能。
研究創新
圖1 準PT對稱雷射器。
圖1描述了準PT對稱雷射器的示意圖。它由兩個耦合的非對稱雷射波導組成。β為傳播常數，κ代表模式間的耦合。其中主勢阱的高階模式和伴侶勢的第一模式是互相耦合的。主勢（波導）相比之下具有更大的橫截面積以提供更高的輸出功率。在設計中，伴侶勢僅支援一種模式，該模式具有與主波導的二階模式相同的傳播常數。是以主勢的二階模式與伴侶勢的基模之間可以實作共振互相作用，進而建立準或模态PT對稱性。諧振模式之間的互相作用擴大了組合系統高階模式的有效體積，同時保持基模的體積不變。是以，通過主波導中的電流注入進行選擇性泵浦可以為基模提供更高的模态增益，該主電泵浦可以充當模态濾波器，進而有效濾除高階模并在單模狀态下實作雷射發射。
圖2 裝置制造。
基于圖2所示的邊發射平台實作準PT對稱雷射器，其中襯底和量子阱材料分别為GaAs和InGaAs，具有Al-GaAs光學腔。其中R和S分别為1.10 μm和3.2 μm，中心波長為975 nm。
圖3 參數優化。Wm= 7.5 µm。Design I: Wp= 1.9 µm, Design II: Wp= 2.1 µm, Design III: Wp= 1.7 µm。
為了實作伴侶波導的基模和主波導的二階模式之間的準PT對稱性，作者進行了最佳寬度的尋找，如圖3所示。主波導的寬度約為Wm= 7.5 µm，僅支援TE0和 TE1模式。Wp相應最佳值為 1.9 µm（design I），該波導僅支援 TE0模式。電場剖面顯示出設計I具有更好的耦合特性。
圖4 裝置的光電流曲線和M2參數曲線。
圖4a展示了四種裝置的總輸出功率情況，他們幾乎具有相同的光子轉換效率。另一方面，圖4b繪制了M2參數的測量值，該參數将光束品質量化為總輸出功率的函數。在低功率下，單波導和設計III的光束品質最差。随着功率增加到 150 mW 以上，直至500 mW，除最佳器件I外，所有設計的光束品質因數都會迅速下降。值得注意的是，即使在400 mW的輸出功率水準下，器件I相關的光束品質因數M2仍然接近于一。相比之下，單波導器件的M2約為1.75。随着功率水準增加到大約500 mW或更高，單波導的光束品質變得與裝置I相當，均優于設計II和III。
得到的幾種裝置于不同雷射輸出功率下，發射光束的近場和遠場分布，如圖5所示。在接近雷射門檻值（35 mW） 的低功率下，單波導情況下的近場顯示出與理想高斯光束分布較大的偏差。此外，所有PT對稱雷射器均在35 mW的輸出功率下産生單模近場。在400 mW的功率下，會檢測出來自伴侶波導的二次發射。可以看出最優設計I與高斯分布的偏差最小。
圖5 近場和遠場發射剖面。
論文位址
網頁連結-023-01175-6
