Στον τομέα των πηγών σπόρου λέιζερ οπτικών ινών και της ακριβούς ανίχνευσης, η επίτευξη της τέλειας ισορροπίας μεταξύ υψηλής ισχύος εξόδου και αποδοτικής σύζευξης οπτικών ινών υπήρξε ανέκαθεν η "ζώνη βαθιών υδάτων" του σχεδιασμού ημιαγωγών λέιζερ. Τα παραδοσιακά λέιζερ κυματοδηγών ευρείας κορυφογραμμής διαθέτουν δυνατότητες υψηλής ισχύος, αλλά ο εξαιρετικά χαμηλός παράγοντας οπτικής σύγκλισης συχνά εμποδίζει την ταλάντωση λέιζερ – παρόμοιο με το να έχεις έναν ισχυρό κινητήρα που δεν μπορεί να οδηγήσει ένα όχημα. Πώς μπορούμε να σπάσουμε αυτό το φυσικό αδιέξοδο για να διατηρήσουμε τα δομικά πλεονεκτήματα των σχεδίων ευρείας κορυφογραμμής, επιτυγχάνοντας παράλληλα αποδοτική λειτουργία μονού τρόπου;

Στα συμβατικά λέιζερ κυματοδηγών οπτικών συζευγμένων πλακών 1064 nm, οι μηχανικοί συνήθως χρησιμοποιούν κυματοδηγούς ευρείας κορυφογραμμής (w _g = 6 μm) για να επιδιώξουν υψηλότερη ισχύ. Ωστόσο, σύμφωνα με τη θεωρία του Marcatili, η διατήρηση της λειτουργίας μονού τρόπου με ευρείες κορυφογραμμές απαιτεί αναλογικά μεγαλύτερα αποτελεσματικά πάχη πλακών. Αυτό αναπόφευκτα διασπείρει την ενέργεια του θεμελιώδους τρόπου, μειώνοντας τους παράγοντες οπτικής σύγκλισης σε μόλις 9,9088 × 10⁻⁵. Σε τέτοιες διαμορφώσεις, η κατανομή του οπτικού πεδίου αποκλίνει σοβαρά από την ενεργή περιοχή, εμποδίζοντας το λέιζερ να φτάσει στο κατώφλι – το "πρώτο εμπόδιο" που πρέπει να ξεπεράσουν οι σχεδιαστές.

Για να λυθεί αυτή η πρόκληση, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια καινοτόμο προσέγγιση: την ενσωμάτωση δομών φωτονικών κρυστάλλων σε παραδοσιακούς κυματοδηγούς πλακών. Με την ακριβή εισαγωγή 10 στρωμάτων Al χαμηλού δείκτη διάθλασης _0.3 GaAs στο στρώμα κυματοδηγού τύπου Ν, η ομάδα τροποποίησε επιτυχώς την κατανομή του δείκτη διάθλασης του κυματοδηγού.

1. Έλεγχος ακριβείας οπτικού πεδίου: Η περιοδική διαμόρφωση αποτρέπει την ανεξέλεγκτη διάχυση του φωτός, αντίθετα, καθοδηγεί αποτελεσματικά το πεδίο προς την ενεργή περιοχή. Τα δεδομένα προσομοίωσης δείχνουν ότι ο παράγοντας οπτικής σύγκλισης εκτοξεύτηκε από 9,9088 × 10⁻⁵ σε 0,009468 – παρέχοντας επαρκή ενέργεια για το κατώφλι λέιζερ.

2. Φιλτράρισμα τρόπων ανώτερης τάξης: Ο φωτονικός κρύσταλλος λειτουργεί όχι μόνο ως "συγκεντρωτής φωτός" αλλά και ως φίλτρο. Αν και εμφανίζονται τρόποι ανώτερης τάξης κατά την εισαγωγή, όταν φτάνουν τα 10 στρώματα, η δομή σχηματίζει μια πλήρη περιοδική κατανομή δείκτη διάθλασης που φιλτράρει αυτόματα τους τρόπους ανώτερης τάξης, διασφαλίζοντας καθαρή λειτουργία μονού τρόπου παρά την ευρεία κορυφογραμμή.

Μετά από αυστηρή βελτιστοποίηση, ο σχεδιασμός επιδεικνύει εξαιρετική ποιότητα δέσμης. Το λέιζερ επιτυγχάνει γωνίες απόκλισης μακρινού πεδίου πλήρους πλάτους στο μισό μέγιστο (FWHM) 12,9° (εγκάρσια) και 18,3° (πλευρική), με σχεδόν τέλεια κυκλική κατανομή σημείου. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει την άμεση σύζευξη με ίνες μονού τρόπου – εξαλείφοντας πολύπλοκα συστήματα φακών και μειώνοντας σημαντικά την πολυπλοκότητα και το κόστος ενσωμάτωσης για συστήματα λέιζερ οπτικών ινών.

Η τρέχουσα σύνθεση υλικών και οι παράμετροι πάχους στρώματος έχουν επικυρώσει τη σκοπιμότητα της ιδέας. Μελλοντικές εργασίες που περιλαμβάνουν πλήρη σάρωση παραμέτρων και συζευγμένη βελτιστοποίηση της σύνθεσης υλικών των στρωμάτων χαμηλού δείκτη, του αριθμού εισαγωγής και του πάχους θα μπορούσαν να ενισχύσουν περαιτέρω τους παράγοντες οπτικής σύγκλισης και να βελτιώσουν την κατανομή του πεδίου τρόπου. Αυτός ο σχεδιασμός κυματοδηγού ευρείας κορυφογραμμής μηχανικής φωτονικών κρυστάλλων χαράζει μια σαφή εξελικτική πορεία για ημιαγωγούς λέιζερ επόμενης γενιάς υψηλής απόδοσης.