Op het gebied van fiberlaser-bronnen en precisiesensoren is het bereiken van de perfecte balans tussen een hoog uitgangsvermogen en efficiënte fiberkoppeling al lang de "diepwaterzone" van halfgeleiderlaserontwerp. Traditionele breed-ridge golfgeleiderlasers hebben een hoog vermogen, maar hun extreem lage optische confinement factor voorkomt vaak laseroscillatie - vergelijkbaar met een krachtige motor die een voertuig niet kan aandrijven. Hoe kunnen we dit fysieke impasse doorbreken om de structurele voordelen van breed-ridge ontwerpen te behouden en tegelijkertijd efficiënte single-mode output te bereiken?

In conventionele 1064 nm slab-coupled optische golfgeleiderlasers gebruiken ingenieurs doorgaans brede ridge golfgeleiders (w _g = 6 µm) om een hoger vermogen na te streven. Echter, volgens de theorie van Marcatili, vereist het handhaven van single-mode werking met brede ridges proportioneel grotere effectieve slab-diktes. Dit verspreidt onvermijdelijk de fundamentele modale energie, waardoor de optische confinement factoren dalen tot wel 9,9088 × 10⁻⁵. In dergelijke configuraties wijkt de lichtveldverdeling sterk af van het actieve gebied, waardoor de laser de drempelwaarde niet bereikt - de "eerste barrière" die ontwerpers moeten overwinnen.

Om deze uitdaging op te lossen, hebben onderzoekers een innovatieve aanpak ontwikkeld: het inbedden van fotonicakristalstructuren in traditionele slab golfgeleiders. Door nauwkeurig 10 lagen met een lage brekingsindex Al _0.3 GaAs in de N-type golfgeleiderlaag in te voegen, heeft het team de brekingsindexverdeling van de golfgeleider succesvol aangepast.

1. Precisie Lichtveld Controle: De periodieke modulatie voorkomt ongecontroleerde lichtdiffusie en stuurt het veld effectief naar het actieve gebied. Simulatiegegevens tonen aan dat de optische confinement factor sprong van 9,9088 × 10⁻⁵ naar 0,009468 - wat voldoende energie levert voor de laser drempelwaarde.

2. Filtering van Hogere Modus: Het fotonicakristal fungeert niet alleen als een "lichtconcentrator", maar ook als een filter. Hoewel hogere modi ontstaan tijdens de invoeging, vormt de structuur bij 10 lagen een volledige periodieke brekingsindexverdeling die hogere modi automatisch filtert, waardoor pure single-mode werking wordt gegarandeerd ondanks de brede ridge.

Na rigoureuze optimalisatie vertoont het ontwerp een uitzonderlijke straalkwaliteit. De laser bereikt full-width-at-half-maximum (FWHM) divergentiehoeken in het verre veld van 12,9° (transversaal) en 18,3° (lateraal), met een bijna perfecte circulaire spotverdeling. Dit kenmerk maakt directe butt-koppeling met single-mode fibers mogelijk - waardoor complexe lenssystemen overbodig worden en de integratiecomplexiteit en kosten voor fiberlasersystemen aanzienlijk worden verminderd.

De huidige materiaalsamenstelling en laagdikteparameters hebben de haalbaarheid van het concept gevalideerd. Toekomstig werk met volledige parameter scanning en gekoppelde optimalisatie van de materiaalsamenstelling, het aantal lagen en de dikte van de lagen met lage index kan de optische confinement factoren verder verbeteren en de modusveldverdeling verbeteren. Dit met fotonicakristallen ontworpen breed-ridge golfgeleiderontwerp schetst een duidelijk evolutionair pad voor de volgende generatie hoogwaardige halfgeleiderlasers.