【光学前沿资讯】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)不断刷新纪录,2006年在-50°C温度下达到85%的历史最高效率。随后,在2007年,EEL在室温下也达到了76%的高效率。然而,在随后的15年里,再也没有人创造新的效率记录,这些成就一直是半导体激光器的巅峰。

相比之下,垂直腔面发射激光器(VCSEL)的效率提高则较为缓慢。自2009年报告了62%的最高PCE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。作为一种微腔激光器,在光子学领域实现高效转换一直是VCSEL面临的挑战。
由于功率和效率较低,VCSEL的早期应用主要集中在小型、低功率消费电子产品和数据中心的短距离通信领域。近年来,随着智能技术的发展,低功耗VCSEL已成为智能传感系统的关键核心光源芯片,在人脸识别和短距离传感领域得到了广泛应用,并取得了显著成效。
最近,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、拓扑激光和医疗诊断等领域的巨大潜力。特别是自动驾驶对远距离传感技术的需求、高速数据处理中心对人工智能计算能力的需求以及VCSEL在智能和量子技术应用领域的发展,都凸显了能耗这一核心问题的重要性。
VCSEL的能效对移动设备和数据中心的能耗有重大影响。因此,开发超高能效VCSEL对于支持未来智能时代终端设备的发展至关重要,并在推动绿色能源光子学的发展方面发挥着重要作用。
在发表于《光:科学与应用》(Light:Science&Applications)上发表的一篇新论文中,四川大学电子信息学院及长光华芯的王俊教授研究团队利用多结级联有源区技术实现了VCSEL效率的突破。
通过采用反向隧道结实现有源区级联,增益体积得以增加。这种设计策略允许载流子经历多个受激发射过程,从而不仅提高了器件的微分量子效率,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实现了指数级功率增长,使VCSEL成为自动驾驶汽车激光雷达的可行激光源。然而,多结VCSEL最大的潜在优势应该是其显著的效率提高。
因此,研究人员结合理论模拟和实验进行了一项系统研究,以探讨多结VCSEL在电光转换效率方面的优势。
研究小组模拟了多结VCSEL的缩放特性,并与单结VCSEL的缩放特性进行了比较。数值模拟表明,在环境温度条件下,20结VCSEL的电光转换效率可超过88%。
在实验中,15结VCSEL在室温条件下的电光转换效率达到74%,斜率效率为15.6W/A,相当于超过1100%的差量子效率。研究人员认为,这一电光转换效率是迄今为止VCSEL领域报告的最高效率,而这一差分量子效率也是半导体激光器领域报告的最高效率。
正如审稿人所说:“这的确是在一个长期停滞不前的领域取得的重大突破。”
该研究的作者写道:“未来,我们还计划探索和拓展高效率、高功率多结VCSEL在通信领域的应用。这项研究不仅为VCSEL的进一步优化和应用提供了宝贵的理论和实验依据,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。它有望对绿色能源光子学和激光物理学产生重大影响。”
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麻省理工学院突破光学原子钟小型化瓶颈:集成螺旋腔激光器实现芯片级原子询问
美国麻省理工学院林肯实验室WilliamLoh与RobertMcConnell团队在《NaturePhotonics》(2025年19卷3期)发表重大研究成果,成功实现基于集成超高品质因子螺旋腔激光器的光学原子钟原子询问,为光学原子钟走出实验室、实现真正便携化铺平了道路。这一突破标志着光学原子钟向全集成、可大规模制造的先进时钟系统迈出关键一步,有望彻底改变导航、大地测量和基础物理研究等领域的时间测量技术格局。
2026-04-08
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手机长焦增距镜无焦光学系统MTF测试的空间频率换算研究
在手机成像技术向高倍长焦方向快速发展的背景下,手机长焦增距镜作为提升手机长焦拍摄能力的核心无焦光学器件,其成像质量的精准评价成为光学检测领域的重要课题。光学传递函数(MTF)是衡量光学系统成像质量的核心指标,而手机长焦增距镜属于望远镜类无焦光学系统,其MTF测试采用的角频率单位与常规无限-有限共轭光学系统的线频率单位存在本质差异。为实现两类单位的精准转换、保证MTF测试结果的有效性与实际应用价值,本文从无焦光学系统特性与测量工具出发,明确空间频率不同单位的核心属性,结合实际案例完成换算推导,梳理换算关键要点,为手机长焦增距镜的MTF检测及光学性能评价提供严谨的技术参考。
2026-04-08
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非线性光学晶体:现代激光技术的核心功能材料
非线性光学晶体作为实现激光频率转换、光束调控及光场非线性效应的关键功能材料,突破了传统激光器件输出波长受限的技术瓶颈,是支撑紫外/深紫外激光、中红外激光、超快激光及量子光源等先进激光系统发展的核心基础部件。本文系统阐述非线性光学效应的物理机制、主流非线性光学晶体的材料特性与相位匹配技术,梳理其在科研探测、精密制造、生物医疗、光通信及国防安全等领域的典型应用,并展望该类材料未来的发展方向,为相关领域技术研究与工程应用提供参考。
2026-04-08
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波前像差、点扩散函数(PSF)与调制传递函数(MTF)的关联解析
在光学成像领域,波前像差(WavefrontAberration)、点扩散函数(PointSpreadFunction,PSF)与调制传递函数(ModulationTransferFunction,MTF)是描述光学系统成像质量的核心参数。三者相互关联、层层递进,共同决定了系统的最终成像效果与视觉质量,但其内在联系常令初学者困惑。本文将从概念本质出发,系统解析三者的关联逻辑,结合具体实例深化理解,为相关领域的学习与应用提供清晰指引。
2026-04-07
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非硅特种材料精密划片工艺技术方案
在半导体封装、光学器件、电子元器件等高端制造领域,蓝宝石、玻璃、陶瓷等非硅特种材料的应用日益广泛。此类材料物理特性与传统硅片差异显著,常规硅片划片工艺无法直接适配,易出现崩边、裂纹、刀具损耗大、良品率偏低等问题。结合材料特性与实际量产经验,针对蓝宝石、玻璃、陶瓷三大类核心材料,形成专业化精密划片工艺解决方案。
2026-04-07
