Im Bereich von Faserlaser-Seed-Quellen und Präzisionssensorik war das Erreichen des perfekten Gleichgewichts zwischen hoher Ausgangsleistung und effizienter Faserkopplung seit langem die "Tiefwasserzone" des Halbleiterlaserdessigns. Traditionelle Breit-Ridge-Wellenleiterlaser besitzen ein hohes Leistungspotenzial, aber ihr extrem niedriger optischer Einschlussfaktor verhindert oft die Laseroszillation – ähnlich wie ein leistungsstarker Motor, der kein Fahrzeug antreiben kann. Wie können wir diesen physikalischen Stillstand überwinden, um die strukturellen Vorteile von Breit-Ridge-Designs zu erhalten und gleichzeitig eine effiziente Einzelmodus-Ausgabe zu erzielen?

Bei herkömmlichen 1064-nm-Slab-gekoppelten optischen Wellenleiterlasern verwenden Ingenieure typischerweise breite Ridge-Wellenleiter (w _g = 6 µm), um höhere Leistungen zu erzielen. Gemäß der Theorie von Marcatili erfordert die Aufrechterhaltung des Einzelmodusbetriebs mit breiten Ridges proportional größere effektive Slab-Dicken. Dies dispergiert unweigerlich die Energie des Grundmodus und reduziert die optischen Einschlussfaktoren auf nur 9,9088 × 10⁻⁵. In solchen Konfigurationen weicht die Lichtfeldverteilung stark vom aktiven Bereich ab, was verhindert, dass der Laser den Schwellenwert erreicht – die "erste Barriere", die Designer überwinden müssen.

Um diese Herausforderung zu lösen, haben Forscher einen innovativen Ansatz entwickelt: die Einbettung von photonischen Kristallstrukturen in traditionelle Slab-Wellenleiter. Durch das präzise Einfügen von 10 Schichten aus Al mit niedrigem Brechungsindex _0.3 GaAs in die n-dotierte Wellenleiter-Schicht modifizierte das Team erfolgreich die Brechungsindexverteilung des Wellenleiters.

1. Präzise Lichtfeldsteuerung: Die periodische Modulation verhindert eine unkontrollierte Lichtdiffusion und leitet das Feld stattdessen effektiv zum aktiven Bereich. Simulationsdaten zeigen, dass der optische Einschlussfaktor von 9,9088 × 10⁻⁵ auf 0,009468 sprang – was ausreichend Energie für den Laserschwellenwert liefert.

2. Filterung höherer Moden: Der photonische Kristall fungiert nicht nur als "Lichtkonzentrator", sondern auch als Filter. Obwohl beim Einfügen höhere Moden auftreten, bildet die Struktur bei 10 Schichten eine vollständige periodische Brechungsindexverteilung, die höhere Moden automatisch filtert und so einen reinen Einzelmodusbetrieb trotz des breiten Ridges gewährleistet.

Nach rigoroser Optimierung zeigt das Design eine außergewöhnliche Strahlqualität. Der Laser erreicht Halbwertsbreiten (FWHM) der Fernfeld-Divergenzwinkel von 12,9° (transversal) und 18,3° (lateral) mit einer nahezu perfekten kreisförmigen Spotverteilung. Diese Eigenschaft ermöglicht die direkte Butt-Kopplung mit Einzelmodenfasern – wodurch komplexe Linsensysteme entfallen und die Integrationskomplexität und Kosten für Faserlasersysteme erheblich reduziert werden.

Die aktuellen Materialzusammensetzungs- und Schichtdickenparameter haben die Machbarkeit des Konzepts bestätigt. Zukünftige Arbeiten, die eine vollständige Parameter-Scan und eine gekoppelte Optimierung der Materialzusammensetzung, der Einfügungsanzahl und der Dicke von Schichten mit niedrigem Index umfassen, könnten die optischen Einschlussfaktoren weiter verbessern und die Modenfeldverteilung optimieren. Dieses durch photonische Kristalle entwickelte Breit-Ridge-Wellenleiterdesign weist einen klaren Entwicklungspfad für die nächste Generation von Hochleistungs-Halbleiterlasern auf.