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4月19日，j9國際站備用CTO王俊博士受邀在OPTICS & PHOTONICS International Congress 2023 (OPIC2023)國際大會做《Semiconductor laser and power converter for optical wireless power transmission》的學術報告，詳細報告了用于激光無線能量傳輸（808 nm和1μm）的發射端激光芯片及模塊、接收端單結/多結激光電池芯片及模塊、激光無線傳能系統的最新進展。包括：輸出功率為19W@100μm的808nm激光器芯片，電光轉換效率為70%的780nm激光器芯片，輸出功率為3000 W光纖耦合激光器模塊；光電轉換效率為70.1%、輸出功率為15.45 W、芯片尺寸40.7 mm*45.1 mm的六結激光電池芯片，輸出功率為179W的20m激光無線傳能系統演示系統。輸出功率為51 W@230μm的9xxnm激光器芯片，輸出功率為600 W的1μm激光器模塊；光電轉換效率為40.1%的晶格異變1μm激光電池芯片。

該報告為國內外首次報告全半導體全自主全鏈路的激光無線能量傳輸芯片，受到了國內外同行的高度評價，引發強烈反響。

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報告中文譯文▼

Semiconductor laser and power converter for optical wireless power transmission

用于光學無線能量傳輸的半導體激光器及激光電池

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Jun Wang^a,b*,Yudan Gou^a,b*, Huomu Yang^a, Guoliang Deng^a, Zhiqiang Mou^a

^aSichuan University, Chengdu, P.R. China

^bSuzhou Everbright Photonics Co., Ltd., Suzhou, P.R. China

王俊^a,b*，茍于單^a,b*，楊火木^a，鄧國亮^a，牟志強^a

^a四川大學，成都

^b蘇州j9國際站備用光電技術股份有限公司，蘇州

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摘要

激光無線能量傳輸技術以激光為載體，實現電能在自由空間中無線傳輸。本文報告了用于激光無線能量傳輸（808 nm和1 μm）的發射端激光芯片及模塊、接收端單/多結激光電池芯片及模塊、激光無線傳能系統的最新進展。包括：輸出功率為19W@100μm的808nm激光器芯片，電光轉換效率為70%的780nm激光器芯片，輸出功率為3000 W光纖耦合激光器模塊；光電轉換效率為70.1%、輸出功率為15.45 W、芯片尺寸40.7 mm*45.1 mm的六結激光電池芯片，輸出功率為179W的20m激光無線傳能系統演示系統。輸出功率為51 W@230μm的9xxnm激光器芯片，輸出功率為600 W的1μm激光器模塊；光電轉換效率為40.1%的晶格異變1μm激光電池芯片。

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1.0??引言

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激光無線能量傳輸技術具有高能量密度和遠距離傳輸優勢。可以為在軌衛星、無人機、移動終端等裝備持續供電/補電[1, 2]，如圖1所示，擁有廣闊的應用前景。

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圖1 激光無線能量傳輸應用于無人機持續供電/補電（無人機圖片來源網絡）

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激光無線能量傳輸系統主要由發射端的激光器系統和接收端的激光電池系統組成，其中發射端激光器芯片及模塊的電光特性，接收端激光電池芯片及模塊的光電特性是影響激光無線能量傳輸系統輸出特性的關鍵因素[3, 4]。基于此，針對激光在大氣中傳輸的透過率特征，如圖2所示，本文報道了808 nm和1 μm發射端和接收端的芯片及模塊的最新進展，以及激光無線能量傳輸系統應用的情況。

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圖2 激光在大氣中傳輸的穿透性特征(圖片來源：胡國行?激光地對空傳輸計算；第四屆無線傳能與能源互聯技術論壇）

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2.1??808 nm激光芯片及模塊

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圖3是808 nm和780 nm激光芯片采用GaInP/GaAsP無鋁有源區的LOC結構激光器芯片LIV特征，優化了摻雜和波導厚度以降低電阻和內部損耗。808nm激光芯片的輸出功率為19W@100μm，是目前報道的808nm的最大功率。780nm激光芯片的輸出功率達到120W，效率高達70%，是迄今為止該波長下的最高效率。

圖3 808 nm和780 nm激光芯片LIV特征

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我們制備了808 nm光纖耦合模塊，采用偏振合束的方式，其輸出功率為150W，光纖芯徑135 μm/0.22NA，光譜寬度小于等于5nm，結果如圖4和表1所示。

圖4 808 nm 150W 135 μm/0.22NA光纖耦合模塊偏振合束示意圖、LIV、光譜

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表1? 808 nm 150W 135 μm/0.22NA光纖耦合模塊特征參數

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我們制作了808 nm激光自由空間發射模塊，如圖5所示，采用空間合束的方式，輸出1kW的激光功率，激光光束傳播20m形成方形光斑，光斑不均勻度小于0.271。

圖5 1kW 808 nm自由空間激光發射系統

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我們也制備了3000W的光纖耦合激光器模塊，采用偏振合束的方式，光纖芯徑600μm/0.22NA，光譜寬度小于等于10nm，結果如圖6和表2所示。

圖6 808 nm 3000W 600μm/0.22NA光纖耦合模塊偏振合束示意圖、LIV、光譜

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表2? 808 nm 3000W 600μm/0.22NA光纖耦合模塊特征參數

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2.2??808nm激光電池芯片及模塊

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在接收端，采用隧穿峰值電流密度為1867 A/cm²、隧穿電阻率為6.9×10^-5?Ω cm²的p++-AlGaAs/n++-AlGaAs隧道結構垂直串聯多吸收區。如圖7所示，形成多結結構。

圖7 ?(a) 六結GaAs 激光電池的結構示意圖。(b) p++-AlGaAs/n++-AlGaAs隧道結器件的實驗結果，插入的圖片是隧道結的結構示意圖[5]。

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我們生長和制備了不同面積、不同結數的激光電池芯片及模塊，其典型光電特性如圖8所示。6結激光電池最高光電轉換效率達到了70.1%，最大輸出功率達到了15.45 W，最大芯片面積達到了40.7 mm*45.1 mm。

圖8 (a) 單結GaAs激光電池器件性能；(b) 6結GaAs激光電池器件性能；(c) 大面積6結GaAs激光電池器件性能

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我們對該激光電池進行了可靠性測試，如圖9所示，在22.9W激光輻照下穩定輸出持續了550小時無衰減。

圖9 6結GaAs激光電池可靠性測試

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2.3??808nm激光無線能量傳輸演示系統

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我們構建了一個千瓦級808 nm激光無線能量傳輸系統。如圖10所示，一束1 kW激光傳輸20m輻照在49×44 cm²的激光電池密集陣列上[7]，接收端輸出電功率達到了179W。未來我們將對接收端進一步優化以提升其輸出特性，包括提高陣列散熱能力和基于動態激光光斑分布的在線電路調控等。

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圖10 808nm激光無線能量傳輸演示系統。(a) 激光電池陣列（面積：49×44 cm2）。(b) 激光電池陣列在1kW激光照射下的I-V曲線。(c) 1kW激光照射下的20m無線傳輸實驗。(d) 1kW激光照射下的激光電池陣列[5]。

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2.4??1 μm激光芯片及模塊

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高電流下的功率翻轉限制了功率的增加。導致翻轉的兩個機制是：（1）焦耳熱提升量子阱溫度，（2）載流子在高溫下從量子阱逃逸。我們設計了雙不對稱結構來降低電阻，抑制載流子泄漏，電阻降低30%。我們報道了9xxnm 230μm激光器芯片，具有最高的51W輸出功率，結果如圖11所示。

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圖11? 9XX高功率激光器性能

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典型的寬條激光器的橫向亮度受到遠場的限制。溫度的不均勻性而不是平均溫度導致了遠場轟動。我們開發了一種新型的高亮度激光器結構，采用優化的非均勻接觸金屬層來改變熱導率曲線。如圖12所示，在優化的結構中，波導的溫度不均勻性降低了30%以上。

圖12 亮度提升

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現在市場需求高亮度、高功率、高效率、低體積、低重量的光纖耦合模塊。為了實現這樣的目標，有兩種方法：一種是在芯片層面上進行提升，另一種是通過光學合束技術提升輸出亮度。很明顯，空間合束的亮度和功率無法同時提升，這可以從模擬中了解到，12個光束幾乎填滿了NA，而沿快軸的尾部則穿透到包層中，這是非常危險的，因為光束超出NA或進入包層會燒毀涂層，如圖13所示。疊加更多的光束超出了光纖限制，因此我們需要找出一種新的方法來進一步提高亮度、功率和效率。對于光學合束技術，密集波長合束是較好的選擇。

圖13 光纖耦合泵浦優化

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但僅僅是DWBC是不夠的。在DWBC中使用的傳統光源是二極管激光器，它具有降低亮度的smile效應。此外，在相同的電流密度條件下，與單管光源相比，偏振比更低。當腔體中存在異常偏振態時，這將引起額外的功率損失。我們使用單管來避免smile效應和熱串擾。我們的高功率、高亮度、高效率的光纖耦合模塊的組裝流程圖可以分為5個步驟（如圖14所示）：（1）將裸芯片安裝到氮化鋁基座上，（2）將芯片空間堆疊在銅制子模塊上，（3）所有芯片進行密集光譜合束，（4）使用一個偏振合束器在保持相同光束質量的情況下進一步提升輸出功率，（5）將合成光束耦合進光纖。

圖14 高功率、高亮度、高效率的光纖耦合模塊組裝流程

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通過復雜的外延設計和工藝控制，120μm發光區寬度的單管芯片能夠在14A時輸出13W，PCE為63.1%，同時兩個軸的發散角得到很好的控制。發散角是非常重要的參數，它決定了基于單管芯片的DWBC中的光纖耦合效率。這與基于激光二極管巴條的DWBC不同。在基于單管芯片的DWBC中，芯片的近場會影響最終的光纖輸出發散角，而芯片的遠場決定了耦合效率。因此，光纖耦合模塊的發散角將不會隨著電流的增大而增大。NA將變得更好，因為芯片的近場在高電流下會收縮。

圖15 高性能120 μm激光器芯片

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我們開發了一個具有12個單管芯片的低smile和高偏振比的“人造激光二極管巴條”。快軸和慢軸在模塊中是準直的，但殘余發散仍然太大。這就是為什么兩個軸需要重新準直的原因。模塊中的每個芯片之間的距離很大，以避免熱串擾。因此，被動冷卻就能夠對模塊進行良好的散熱，簡化了散熱結構。該模塊的偏振率在大電流下高達95.6%，這意味著使用偏振相關的光學元件來進行合束依然能夠保持極高的效率。

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圖16 120μm芯片的高性能M12模塊

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所有的基于單管芯片的子模塊輸出光束最終被聚焦到一根100μm的光纖中。為了提高快軸的光束質量，所有M12模塊被旋轉90度，如圖17所示。左邊的3個和右邊的3個子模塊由一個透射光柵進行光譜合成，然后一個偏振分光器立方體通過偏振合束將兩個300W的合成輸出，使亮度增加一倍。聚焦透鏡前放置了一個孔徑光闌，保證100%的光都包含在0.17NA內，這保證了最終光纖輸出的發散角。

圖17 將M12模塊旋轉90°，在快速軸方向上應用DWBC

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所有的結果都與我們的設計目標相吻合，除了光譜寬度（FWHM），它比我們的期望值大0.2nm，因為2個300W引擎的波長沒有完全重合。在400W輸出時，PCE峰值為51.3%。在14A的工作電流下實現了創紀錄的超高輸出功率687W。這樣的結果也展示了基于單管芯片密集光譜合束技術的光纖耦合模塊的潛力。

圖18 ?600 W/100 μm 光纖耦合模塊

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2.5??1 μm激光電池芯片及模塊

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圖19顯示了GaAs/InGaAs晶格異變緩沖層的結構設計及其材料表征，我們提出了組分步進結合組分過沖和組分回調的結構設計，實現了緩沖層晶格弛豫度和表面粗糙度同時調控，并有效降低了穿透位錯密度（TDD＜1×10⁶?cm^-2）。

圖19 GaAs/InGaAs晶格異變緩沖層表面粗糙度、晶格弛豫度、穿透位錯表征

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在此晶格異變緩沖層上生長1 μm激光電池吸收區，在1?μm激光照射下，其光電轉換效率達到了44.1%。在4W激光輻照下穩定輸出持續了550小時無衰減。

圖20? (a) 在1064nm激光照射條件下，InGaAs晶格異變激光電池的I-V曲線。(b) 可靠性測試[6]。

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3.0??總結

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本文報告了本研究團隊在全半導體激光無線能量傳輸芯片及系統的最新成果，包括808 nm和1?μm的發射端激光芯片及模塊、接收端單/多結激光電池芯片及模塊、激光無線傳能系統的最新進展。

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4.0??致謝

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感謝蘇州j9國際站備用光電技術股份有限公司、四川大學對本項工作的支持。

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參考文獻

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[5]Y. Gou, H. Wang, J. Wang, R. Niu, X. Chen, B. Wang, Y. Xiao, Z. Zhang, W. Liu, and H. Yang, "High-performance laser power converts for direct-energy applications," Optics Express 30, 31509-31517 (2022).

[6]Y. Gou, H. Wang, J. Wang, Y. Zhang, R. Niu, X. Chen, B. Wang, Y. Xiao, Z. Zhang, and W. Liu, "1064 nm InGaAs metamorphic laser power converts with over 44% efficiency," Optics Express 30, 42178-42185 (2022).

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