【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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多基准轴透射式离轴光学系统高精度定心装调方法
星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,是陆地植被监测、海洋环境探测等领域的核心载荷。为校正分光系统引入的畸变,星载光谱仪成像透镜多采用离轴透射式设计,由此形成的多光轴结构存在大倾角、大偏心特征,超出了传统同轴系统定心装调方法的适用范围。本文提出一种多基准轴定心装调方法(Multi-referenceAxisAlignment,MAA),通过镜筒结构一体化加工预置各光轴的偏心与倾斜参数,结合光学平板实现基准轴的高精度引出,将复杂多光轴系统的装调拆解为多个单光轴子系统的独立装调,突破了传统定心仪的测量范围限制。针对某星载光谱仪3光轴离轴透射系统开展装调验证,实测结果表明,透镜最大偏心误差小于25.4μm,最大倾斜误差小于17.7″,系统实际畸变与理论值平均偏差小于0.32μm,全面满足设计指标要求。该方法为离轴折射类光学系统的高精度装调提供了可行的技术路径,拓展了透射式光学系统装调的适用边界。
2026-05-22
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平凸透镜朝向对光束会聚效果及像差特性的影响分析
平凸透镜是各类光学系统中应用最为广泛的基础折射元件之一,属于典型的无限共轭透镜,核心光学功能分为两类:一是将点光源出射的发散光束准直为平行光束,二是将入射的准直平行光束会聚至单点。在激光光学、显微成像、光电检测等领域的光路设计与装调中,平凸透镜的安装朝向是直接影响系统性能的核心参数,其选择直接决定了像差水平与最终会聚效果。
2026-05-21
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光机系统设计:镜头装配轴向预紧力计算(一)——通用设计原则与基础方法
本文基于光机系统设计领域的经典工程理论,系统阐述镜头装配中透镜面接触安装技术的核心原理,明确轴向预紧力在透镜固定、精度保持与环境适应性中的关键作用,详细介绍标称轴向预紧力的基础计算方法、参数定义与适用边界,同时解析轴向预载对透镜自动定心、抗径向偏心的力学效应,为光学镜头的装调设计提供标准化的工程参考。
2026-05-21
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高精度轴对称非球面反射镜面形轮廓非接触式测量方法
非球面光学元件是高端光学系统的核心器件,其面形轮廓的高精度、可溯源测量是保障加工质量与系统性能的关键。本文针对轴对称非球面反射镜的测量需求,建立了通用化的非球面扫描轨迹数学模型,提出一种基于独立计量回路的非接触式坐标扫描测量方法。该方法采用运动与计量分离的框架结构,有效隔离运动误差对测量结果的影响;测头采用集成阵列式波片的四象限干涉测量系统,实现1nm级测量分辨率;通过扫描执行机构与多路激光干涉系统共基准设计,实现测量值可溯源至“米”定义。试验验证表明,该方法测量误差小于0.2μm,重复性精度达70nm,整体测量精度达到亚微米级,为非球面测量的量值统一与溯源提供了成熟的技术方案。
2026-05-21
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麻省理工学院固态激光雷达硅光子芯片核心突破解读
麻省理工学院研究团队攻克了硅光子集成光学相控阵(OPA)固态激光雷达的长期核心瓶颈,通过创新的低串扰集成天线阵列设计,首次实现了宽视野扫描+低噪声高精度的无活动部件激光雷达芯片,为下一代紧凑、高耐用性固态激光雷达的落地奠定了技术基础。
2026-05-20
