激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging, LiDAR）是提供高精度、高速率光學(xué)探測與傳感的主要解決方案。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，對空間有效掃描的激光光源是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測傳感功能的核心。實(shí)現(xiàn)光束掃描的技術(shù)方案分為無源光束掃描與有源光束掃描。無源光束掃描包含半固態(tài)式的微機(jī)電（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）激光雷達(dá)，其通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間光束掃描；全固態(tài)式光學(xué)相控陣（Optical Phased Array, OPA），其通過改變波導(dǎo)的幾何形狀或折射率分布，實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)和無機(jī)械掃描。與現(xiàn)有MEMS和OPA等無源掃描方案不同的是，有源光束掃描（Active beam scanning）使用主動(dòng)發(fā)射的光源來進(jìn)行掃描，能夠有效提升系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，提升輸出功率并降低空間系統(tǒng)復(fù)雜程度。
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)彭超杰青團(tuán)隊(duì)等，基于光子晶體面發(fā)射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）實(shí)現(xiàn)了電注入有源激光空間光束掃描。該結(jié)構(gòu)以AlGaInAs量子阱為增益介質(zhì)，利用有限尺寸光子晶體將連續(xù)能帶量子化為離散模式，得到對應(yīng)遠(yuǎn)場不同發(fā)散角激射的多階模式；結(jié)合載流子調(diào)控，使得不同階模式在不同注入電流下激射輸出，從而實(shí)現(xiàn)有源光束掃描。電注入PCSEL為二維有源激光空間掃描雷達(dá)提供了元器件支撐。
利用電流源高速驅(qū)動(dòng)激光器，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 MHz速率的光束掃描，相較于傳統(tǒng)MEMS方案，掃描速率得到了一到兩個(gè)數(shù)量級上的提升。該激光器能夠提升傳感的并發(fā)規(guī)模、靈活度，并降低功耗。一方面，該激光器是面向激光雷達(dá)、激光成像、激光傳感領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)路線之一，為有源相控陣?yán)走_(dá)提供了新調(diào)控機(jī)制；另一方面，其面發(fā)射特性在傳感探測、光子集成及大規(guī)模陣列化領(lǐng)域也具有獨(dú)特優(yōu)勢。
該成果以“Active Beam Steering Enabled by Photonic-Crystal Surface Emitting Laser”為題，7月11日發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會(huì)-納米》（ACS Nano）（DOI：10.1021/acsnano.3c09793）。半導(dǎo)體所王明金青年研究員和北京大學(xué)王非凡博士后為論文共同第一作者，半導(dǎo)體所鄭婉華院士和北京大學(xué)彭超教授為論文共同通訊作者。
該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1 PCSEL將連續(xù)能帶量子化為離散模式
圖2 高速光束掃描