半導(dǎo)體芯科技編譯

光子晶體是有史以來最亮的半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵

2016 年，日本政府宣布了一項(xiàng)關(guān)于建立新型社會(huì)的計(jì)劃。該計(jì)劃解釋說，人類文明從狩獵采集開始，經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)和工業(yè)階段，正迅速接近信息時(shí)代的終點(diǎn)。正如當(dāng)時(shí)的首相安倍晉三所說："我們現(xiàn)在正在見證第五章的開啟。

這一章被稱為 "社會(huì) 5.0"，將出現(xiàn)按需生產(chǎn)的商品、機(jī)器人看護(hù)、出租車和拖拉機(jī)。許多創(chuàng)新技術(shù)，如人工智能，可能是顯而易見的。但有一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)很容易被忽視：激光。

△這種3毫米PCSEL已封裝，隨時(shí)可以發(fā)射。SUSUMU NODA

社會(huì) 5.0 的激光器需要滿足幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它們必須足夠小巧，能夠安裝在日常設(shè)備中。它們必須成本低廉，以便普通金屬工人或汽車購買者都能負(fù)擔(dān)得起，這意味著它們還必須制造簡(jiǎn)單、能效高。而且，由于這個(gè)即將到來的時(shí)代將是大規(guī)模定制（而不是大規(guī)模生產(chǎn)）的時(shí)代，它們必須具有高度的可控性和適應(yīng)性。

半導(dǎo)體激光器似乎是最理想的選擇，但有一個(gè)致命的缺陷：它們的亮度太低。激光亮度定義為單位面積、單位立體角的光功率，它是衡量光從激光器中射出時(shí)的聚焦強(qiáng)度以及光離開時(shí)的發(fā)散范圍的標(biāo)準(zhǔn)。材料切割、焊接和鉆孔工作的閾值約為 1 千兆瓦/平方厘米/球面度（GW/cm2/sr）。然而，即使是最亮的商用半導(dǎo)體激光器的亮度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一水平。

亮度對(duì)于自主機(jī)器人和車輛中的光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）系統(tǒng)也很重要。這些系統(tǒng)不需要金屬熔化的功率，但要在遠(yuǎn)距離或高速度下進(jìn)行精確測(cè)量，就需要緊密聚焦的光束。當(dāng)今的頂級(jí)激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了 100 多臺(tái)半導(dǎo)體激光器，其固有的發(fā)散光束需要通過手工安裝的復(fù)雜透鏡裝置進(jìn)行準(zhǔn)直。這種復(fù)雜性推高了成本，使激光雷達(dá)導(dǎo)航汽車對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者來說遙不可及。

當(dāng)然，其他類型的激光器也能產(chǎn)生超強(qiáng)光束。例如，二氧化碳激光器和光纖激光器在工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。但與斑點(diǎn)大小的半導(dǎo)體激光器相比，它們是巨大的。高功率二氧化碳激光器可像冰箱一樣大。此外，它們的成本更高、能效更低、更難控制。

在過去的幾十年里，我們?cè)诰┒即髮W(xué)的團(tuán)隊(duì)一直在開發(fā)一種新型的半導(dǎo)體激光器，這種激光器可以突破傳統(tǒng)激光器的亮度上限。我們稱之為光子晶體表面發(fā)射激光器，或PCSEL（發(fā)音為“pick-cell”）。最近，我們制造了一種PCSEL，其亮度可以與氣體和光纖激光器一樣亮，亮度足以快速切開鋼，并提出了一種亮度為10到100倍的設(shè)計(jì)。這些設(shè)備可以徹底改變制造業(yè)和汽車行業(yè)。如果我們、我們的合作公司和世界各地的研究小組——例如在臺(tái)灣新竹的國(guó)立陽明交通大學(xué);德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校;格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）可以進(jìn)一步提高PCSEL的亮度，它甚至?xí)閼T性約束核聚變和太空飛行的光推進(jìn)等奇異應(yīng)用打開大門。

Hole-y 圣杯

PCSEL 的神奇之處在于其獨(dú)特的構(gòu)造。與其他半導(dǎo)體激光器一樣，PCSEL 由一層薄薄的發(fā)光材料（稱為有源層）組成，夾在包層之間。事實(shí)上，為了便于理解，我們可以將該裝置想象成一個(gè)字面意義上的三明治--比方說，在兩片面包之間夾著一片火腿。

現(xiàn)在想象一下，把三明治舉到嘴邊，好像要咬一口。如果你的三明治是一個(gè)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，那么它的光束就會(huì)從遠(yuǎn)處的邊緣輻射出來，遠(yuǎn)離你。這種光束是通過電流穿過有源 "火腿 "層中的條紋而產(chǎn)生的。受激發(fā)的火腿原子自發(fā)地釋放出光子，這些光子又刺激釋放出相同的光子，從而放大了光束。然后，條紋兩端的反射鏡會(huì)反復(fù)反射這些光波；由于干涉和損耗，只有某些頻率和空間模式（即模式）能夠持續(xù)。當(dāng)某一模式的增益超過損耗時(shí)，光就會(huì)以相干光束的形式出現(xiàn)，激光就會(huì)以該模式振蕩。

這種標(biāo)準(zhǔn)條紋方法的問題在于，很難在不犧牲光束質(zhì)量的情況下提高輸出功率。半導(dǎo)體激光器的功率受其發(fā)射區(qū)域的限制，因?yàn)闃O其集中的光線會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成災(zāi)難性的損壞。你可以通過加寬條紋來提供更大的功率，這就是所謂的寬面積激光器所采用的策略。但更寬的條紋也為振蕩光提供了走之字形側(cè)向路徑的空間，從而形成所謂的高階橫向模式。

您可以想象在輸出光束的橫截面上放置一個(gè)屏幕，從而直觀地看到橫向模式的入射模式。光沿著條紋的長(zhǎng)度來回完美反彈，形成基本（零階）模，在光束中心有一個(gè)單一的強(qiáng)度峰值。一階模式來自與夾層邊緣成一定角度反射的光，左右各有兩個(gè)峰值；二階模式來自較小角度的光，有一排三個(gè)峰值，以此類推。對(duì)于每種高階模式，激光器實(shí)際上是由較小的發(fā)射器組合而成，這些發(fā)射器的孔徑較窄，導(dǎo)致光束迅速發(fā)散。因此，由此產(chǎn)生的橫向模式混合物使激光光斑和光擴(kuò)散。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的最大亮度約為 100 MW/cm2/sr，原因就在于這些麻煩的模式。PCSEL 通過在 "三明治 "內(nèi)添加另一層："瑞士奶酪 "層，來處理不需要的模式。這個(gè)特殊的額外層是一個(gè)印有二維納米級(jí)孔陣列的半導(dǎo)體薄片。通過調(diào)整孔的間距和形狀，我們可以控制光在激光器內(nèi)的傳播，這樣即使發(fā)射區(qū)域擴(kuò)大，光也只能以基本模式振蕩。這樣產(chǎn)生的光束既強(qiáng)又窄，即明亮。

由于其內(nèi)部物理特性，PCSEL 的工作方式與邊緣發(fā)射激光器完全不同。例如，PCSEL "三明治 "發(fā)出的光束將向上輻射，穿過頂部的面包片，而不是遠(yuǎn)離你。要解釋這種不尋常的發(fā)射，以及為什么 PCSEL 的亮度比其他半導(dǎo)體激光器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，我們必須首先描述瑞士奶酪的材料特性——實(shí)際上，它是一種名為光子晶體的迷人結(jié)構(gòu)。

光子晶體的工作原理

光子晶體控制光流的方式與半導(dǎo)體控制電子流的方式類似。不過，光子晶體的晶格并不是原子，而是由較大的實(shí)體（如孔、立方體或柱體）雕刻而成，其排列方式使折射率在光波長(zhǎng)的范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化。雖然人工制造這些神奇材料的探索始于不到 40 年前，但科學(xué)家們后來了解到，它們?cè)缫汛嬖谟谧匀唤缰?。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀之所以能發(fā)出絢麗的彩虹色，都是由于光在天然光子晶體中的復(fù)雜作用。

了解光如何在光子晶體中運(yùn)動(dòng)是 PCSEL 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。我們可以通過研究晶體的光子帶結(jié)構(gòu)（類似于半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)）來預(yù)測(cè)這種行為。其中一種方法是繪制頻率與波數(shù)——晶體晶格的一個(gè)單元格內(nèi)適合的波周期數(shù)--之間的關(guān)系圖。

舉例來說，一個(gè)簡(jiǎn)單的一維光子晶體由玻璃和空氣帶交替形成。進(jìn)入晶體的光線會(huì)通過每個(gè)界面折射并部分反射，產(chǎn)生重疊的光束，這些光束會(huì)根據(jù)光線的波長(zhǎng)和方向相互加強(qiáng)或削弱。大多數(shù)光波都會(huì)穿過材料。但在某些點(diǎn)（稱為奇點(diǎn)），反射與入射波完美結(jié)合，形成駐波，而駐波不會(huì)傳播。在這種情況下，當(dāng)波浪從一條氣帶到另一條氣帶正好經(jīng)過半個(gè)周期時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)。還有其他奇點(diǎn)，只要單元格是波長(zhǎng)一半的整數(shù)倍，就會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)。

我們中的一位（Susumu Noda）在這種材料還沒有名字的時(shí)候，就開始試驗(yàn)含有類似光子晶體結(jié)構(gòu)的激光器。20 世紀(jì) 80 年代中期，在三菱電機(jī)公司工作期間，他研究了一種名為分布式反饋（DFB）激光器的半導(dǎo)體激光器。分布式反饋（DFB）激光器是一種基本的條紋激光器，內(nèi)部有一個(gè)額外的層，其中包含有規(guī)律間隔的凹槽，凹槽內(nèi)填充的物質(zhì)折射率略有不同。這種周期性結(jié)構(gòu)的行為有點(diǎn)像上文所述的一維光子晶體：它重復(fù)反射由凹槽間距決定的單一波長(zhǎng)的光，從而產(chǎn)生駐波。因此，激光只以該波長(zhǎng)振蕩，這對(duì)于長(zhǎng)距離光纖傳輸和高靈敏度光學(xué)傳感至關(guān)重要。

正如三菱團(tuán)隊(duì)所演示的那樣，DFB 激光器還可以玩出其他花樣。例如，當(dāng)研究小組將凹槽間距設(shè)置為與設(shè)備中的激光波長(zhǎng)相等時(shí)，部分振蕩光向上衍射，使激光不僅從其有源條紋的微小前緣發(fā)光，而且還從條紋頂部發(fā)光。然而，由于條紋的寬度較窄，這種表面光束被瘋狂地扇動(dòng)，這也給提高輸出功率帶來了困難。

令Susumu Nod失望的是，他的團(tuán)隊(duì)試圖在不引起其他問題的情況下拓寬條紋，從而提高亮度，但沒有成功。然而，這些早期的失敗埋下了一個(gè)引人入勝的想法：如果激光可以在兩個(gè)維度而不是一個(gè)維度上進(jìn)行控制，那會(huì)怎么樣呢？

提升亮度

后來，在京都大學(xué)，Susumu Nod領(lǐng)導(dǎo)了二維和三維光子晶體的研究，當(dāng)時(shí)這一領(lǐng)域剛剛起步。1998 年，他的團(tuán)隊(duì)制造出了第一顆 PCSEL，此后，我們不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)包括高亮度在內(nèi)的各種功能。

在基本 PCSEL 中，光子晶體層是一個(gè)二維方形晶格：每個(gè)單元格都是一個(gè)由四個(gè)孔劃分的正方形。雖然二維光子晶體的帶狀結(jié)構(gòu)比一維晶體的帶狀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但它同樣顯示出奇異之處，即我們期望形成駐波的地方。在我們的設(shè)備中，我們利用了當(dāng)相鄰孔之間的距離為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)的奇點(diǎn)。例如，工作頻率為 940 納米的砷化鎵激光器的內(nèi)部波長(zhǎng)約為 280 納米（考慮到折射率和溫度）。因此，基本砷化鎵 PCSEL 中的孔之間的距離約為 280 納米。

其工作原理是這樣的：當(dāng)該長(zhǎng)度的波在有源層中產(chǎn)生時(shí)，鄰近光子晶體層中的孔就會(huì)像小鏡子一樣，使光向后和向側(cè)面彎曲。多重衍射的共同作用產(chǎn)生了二維駐波，然后被有源層放大。其中一些振蕩光還會(huì)向上和向下衍射，并從激光器頂部漏出，產(chǎn)生單一波長(zhǎng)的表面光束。

這種設(shè)計(jì)之所以有效，關(guān)鍵在于半導(dǎo)體與孔內(nèi)空氣之間的折射率對(duì)比較大。Susumu Nod在制造第一臺(tái)設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)，折射率對(duì)比度較低的 PCSEL（如 DFB 激光器）不會(huì)產(chǎn)生相干振蕩。此外，與 DFB 激光器不同的是，PCSEL 的表面發(fā)射區(qū)域很寬，通常是圓形的。因此，它能產(chǎn)生發(fā)散度更低的高質(zhì)量光束。

2014 年，我們的研究小組報(bào)告稱，一種三角形孔方形晶格、發(fā)射面積為 200×200 μm 的 PCSEL 可以在約 1 瓦的功率下連續(xù)工作，同時(shí)保持光束僅發(fā)散約 2 度的點(diǎn)狀光束。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散度通常超過 30 度，與之相比，這種性能非常出色。下一步是提高光功率，為此我們需要一個(gè)更大的裝置。但我們?cè)谶@里遇到了障礙。

根據(jù)我們的理論模型，使用單晶格設(shè)計(jì)的PCSEL不會(huì)長(zhǎng)大于約200 μm，而不會(huì)引發(fā)討厭的高階橫向模式。在 PCSEL 中，當(dāng)駐波的強(qiáng)度由于重復(fù)衍射產(chǎn)生的干涉圖案而以多種方式分布時(shí)，就會(huì)形成多種模式。在基本模式（讀作：理想模式）中，強(qiáng)度分布類似富士山，大部分振蕩光集中在晶格中心。同時(shí)，每個(gè)高階模式都有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多的富士山。因此，當(dāng)激光的發(fā)射區(qū)域相對(duì)較小時(shí)，高階模式的強(qiáng)度峰值就會(huì)靠近晶格的外圍。因此，它們的大部分光線都會(huì)從設(shè)備的兩側(cè)漏出，從而阻止了這些模式的振蕩和激光束的產(chǎn)生。但與傳統(tǒng)激光器一樣，擴(kuò)大發(fā)射區(qū)域可以為更多的模式提供振蕩空間。

為了解決這個(gè)問題，我們?cè)诠庾泳w層上又增加了一組孔，形成了雙晶格。在我們最成功的版本中，一個(gè)由圓孔組成的方形晶格與另一個(gè)由橢圓形孔組成的方形晶格相距四分之一波長(zhǎng)。因此，晶體內(nèi)部的部分衍射光會(huì)發(fā)生破壞性干涉。這些抵消會(huì)導(dǎo)致橫向模式的強(qiáng)度峰值減弱和擴(kuò)散。因此，當(dāng)我們擴(kuò)大激光器的發(fā)射區(qū)域時(shí)，來自高階模式的光仍然會(huì)大量泄漏，而不會(huì)發(fā)生振蕩。

利用這種方法，我們制造出了直徑為 1 毫米的圓形發(fā)射區(qū)域 PCSEL，并證明它可以在連續(xù)工作的情況下產(chǎn)生 10 瓦的光束。該光束的發(fā)散度僅為十分之一，比前一代 200 微米的光束更加細(xì)長(zhǎng)，準(zhǔn)直度更高，亮度是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的三倍多。當(dāng)然，我們的設(shè)備還具有單模振蕩的優(yōu)勢(shì)，這是同等尺寸的傳統(tǒng)激光器無法做到的。

要提高 PCSEL 的亮度，還需要進(jìn)一步的創(chuàng)新。在直徑較大的情況下，僅靠雙晶格方法無法充分抑制高階模式，因此它們會(huì)再次振蕩。不過，我們已經(jīng)觀察到，這些模式使激光器略微偏離，這引起了我們對(duì)背面反射器的注意。(想象一下在火腿瑞士三明治的底部鋪上一層錫箔紙的情景）。

在前幾代設(shè)備中，這種反射器的作用僅僅是將向下衍射的光從激光器的發(fā)射面向上彈出。通過調(diào)整其位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發(fā)現(xiàn)可以控制反射，使其與光子晶體層內(nèi)振蕩的二維駐波產(chǎn)生有效的干涉。這種干涉或耦合本質(zhì)上會(huì)導(dǎo)致離去波失去部分能量。離去的波越歪，損失的光就越多。噗！再也沒有高階模式了。

就這樣，我們?cè)?2023 年開發(fā)出了一種 PCSEL，其 1 GW/cm2/sr 的亮度可與氣體和光纖激光器媲美。它的發(fā)射直徑為 3 毫米，能以高達(dá) 50 W的功率連續(xù)激光，同時(shí)維持發(fā)散度僅為二十分之一的光束。我們甚至用它來切割鋼材。當(dāng)明亮、美麗的光束從 100μm厚的金屬板上切割出一個(gè)圓盤時(shí)，我們整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的人都圍攏過來，驚奇地注視著。

更強(qiáng)大的 PCSEL

雖然鋼片切割演示令人印象深刻，但 PCSEL 必須具備更強(qiáng)大的功能，才能在工業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。例如，制造汽車零件需要千瓦級(jí)的光功率。

要制造出能夠處理這種功率的 PCSEL 應(yīng)該是非常簡(jiǎn)單的——可以通過組裝九個(gè) 3 毫米 PCSEL 陣列，或者將我們現(xiàn)有設(shè)備的發(fā)射區(qū)域擴(kuò)大到 1 厘米。在這種尺寸下，高階模式將再次出現(xiàn)，從而降低光束質(zhì)量。但是，由于它們的亮度仍然不亞于高功率氣體激光器和光纖激光器，因此這種千瓦級(jí) PCSEL 可以開始取代體積更大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

要真正改變游戲規(guī)則，1 厘米 PCSEL 需要通過抑制這些高階模式來提升水平。我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法，通過微調(diào)光子晶體結(jié)構(gòu)和反射器的位置來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。雖然我們尚未在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這種新配方，但我們的理論模型表明，它可以將 PCSEL 的亮度提高到 10 到 100 GW/cm2/sr。試想一下，如果能從一個(gè)微小的封裝中發(fā)出如此集中的光，那么將可以制造出各種獨(dú)特而復(fù)雜的產(chǎn)品。

特別是對(duì)于這些高功率應(yīng)用，我們需要提高激光器的能效和熱管理。即使不做任何優(yōu)化，PCSEL 的 "墻塞 "效率也已達(dá)到 30% 至 40%，超過了大多數(shù)二氧化碳激光器和光纖激光器。更重要的是，我們已經(jīng)找到了一條可以實(shí)現(xiàn) 60% 效率的途徑。至于熱管理，我們目前在實(shí)驗(yàn)室使用的水冷技術(shù)應(yīng)該足以滿足 1,000 瓦、1 厘米 PCSEL 的需要。

高亮度 PCSEL 還可用于為自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人制造更小、更經(jīng)濟(jì)的傳感器系統(tǒng)。最近，我們利用 500 微米 PCSEL 制造了一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。在脈沖操作下，我們以大約 20 瓦的功率運(yùn)行它，獲得了非常明亮的光束。即使在 30 米的距離上，光斑大小也只有 5 厘米。對(duì)于沒有外部透鏡的緊湊型激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，如此高的分辨率是聞所未聞的。然后，我們將原型機(jī)安裝在機(jī)器人小車上，并對(duì)其進(jìn)行編程，讓它們跟著我們和其他人在工程大樓里四處走動(dòng)。

在另一項(xiàng)工作中，我們發(fā)現(xiàn) PCSEL 可以發(fā)射多個(gè)光束，這些光束可以通過電子控制指向不同的方向。這種片上光束轉(zhuǎn)向是通過改變光子晶體層中孔的位置和大小來實(shí)現(xiàn)的。最終，它可以取代激光雷達(dá)系統(tǒng)中的機(jī)械光束轉(zhuǎn)向。如果光探測(cè)器也集成在同一芯片上，那么這些全電子導(dǎo)航系統(tǒng)就會(huì)變得非常微型和低成本。

盡管充滿挑戰(zhàn)，但我們最終希望制造出輸出功率超過 10 千瓦、光束亮度高達(dá) 1,000 GW/cm2/sr 的 3 厘米激光器，其亮度比目前任何激光器都要高。在這樣的極高亮度下，PCSEL 可以取代用于產(chǎn)生極紫外光刻機(jī)等離子脈沖的巨大、耗電的 CO2 激光器，使芯片制造更加高效。它們同樣可以推動(dòng)實(shí)現(xiàn)核聚變的努力，這一過程需要向豌豆大小的燃料囊發(fā)射數(shù)萬億瓦特的激光功率。超高亮度的激光還為太空飛行提供了光推進(jìn)的可能性。用光推動(dòng)的探測(cè)器不需要花費(fèi)數(shù)千年的時(shí)間就能到達(dá)遙遠(yuǎn)的恒星，而只需要幾十年的時(shí)間。

這也許是老生常談，但對(duì)于人類智慧的下一個(gè)篇章，我們想不出比這更貼切的預(yù)言了：正如人們所說，未來是光明的。

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審核編輯 黃宇