半导体所有源光束扫描激光器研发取得进展

激光雷达（Light Detection And Ranging, LiDAR）是提供高精度、高速率光学探测与传感的主要解决方案。在激光雷达系统中，对空间有效扫描的激光光源是实现雷达探测传感功能的核心。实现光束扫描的技术方案分为无源光束扫描与有源光束扫描。无源光束扫描包含半固态式的微机电（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）激光雷达，其通过机械转动实现空间光束扫描；全固态式光学相控阵（Optical Phased Array, OPA），其通过改变波导的几何形状或折射率分布，实现光束的偏转和无机械扫描。与现有MEMS和OPA等无源扫描方案不同的是，有源光束扫描（Active beam scanning）使用主动发射的光源来进行扫描，能够有效提升系统的能量转换效率，提升输出功率并降低空间系统复杂程度。

近日，中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队联合北京大学彭超杰青团队等，基于光子晶体面发射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）实现了电注入有源激光空间光束扫描。该结构以AlGaInAs量子阱为增益介质，利用有限尺寸光子晶体将连续能带量子化为离散模式，得到对应远场不同发散角激射的多阶模式；结合载流子调控，使得不同阶模式在不同注入电流下激射输出，从而实现有源光束扫描。电注入PCSEL为二维有源激光空间扫描雷达提供了元器件支撑。

利用电流源高速驱动激光器，实现高达1 MHz速率的光束扫描，相较于传统MEMS方案，扫描速率得到了一到两个数量级上的提升。该激光器能够提升传感的并发规模、灵活度，并降低功耗。一方面，该激光器是面向激光雷达、激光成像、激光传感领域最具潜力的技术路线之一，为有源相控阵雷达提供了新调控机制；另一方面，其面发射特性在传感探测、光子集成及大规模阵列化领域也具有独特优势。

该成果以“Active Beam Steering Enabled by Photonic-Crystal Surface Emitting Laser”为题，7月11日发表于《美国化学学会-纳米》（ACS Nano）（DOI：10.1021/acsnano.3c09793）。半导体所王明金青年研究员和北京大学王非凡博士后为论文共同第一作者，半导体所郑婉华院士和北京大学彭超教授为论文共同通讯作者。

该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

图1  PCSEL将连续能带量子化为离散模式

图2  高速光束扫描