近日，京都大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种高功率自由空间光通信激光器。这种激光器可以实现高速、长距离的自由空间光通信。该工作以“High-speed high-power free-space optical communication via directly modulated watt-class photonic-crystal surface-emitting lasers”为题，发表在《Optica》上。
研究团队利用二维光子晶体作为激光腔，开发出了一种新型的光子晶体表面发射激光器（PCSELs）。这种激光器不仅具有高输出功率，还具有窄的光束发散角度，能够在大面积上实现单模激光发射。这项技术的核心在于PCSELs能够通过直接调制实现高功率、高速的自由空间光通信，从而无需使用笨重的透镜系统和光纤放大器，大大简化了光通信系统的设计，并且提高了能效。
研究背景
半导体激光器在光通信中有着广泛的应用，因为它们体积小、成本低、寿命长、效率高。例如，垂直腔面发射激光器（VCSELs）由于其低功耗和宽带直接调制能力，适用于数据中心的短距离光互连。对于长距离的光纤通信，分布反馈（DFB）激光器因其单模操作而广泛使用。然而，这些传统的半导体激光器在大面积发光时不可避免地会出现多横模激光振荡，无法满足高输出功率和窄光束发散角度的要求。
研究进展
为了解决这些问题，研究团队设计并制造了一个直径500微米的PCSEL，并通过实验实现了瓦级连续波（CW）操作和几GHz级的直接调制。实验结果表明，这种PCSEL能够在没有发射透镜的情况下，通过直接调制实现超过10 Gbit/s的高速传输和虚拟5公里级的长距离传输。
图1：器件结构示意图。
研究团队首先通过数值模拟分析了大面积PCSEL的固有频率响应特性和寄生频率响应特性，验证了瓦级PCSEL在几GHz级直接调制下的可行性。随后，他们制造了一个直径500微米的PCSEL，并通过实验证实了其在瓦级输出功率下实现几GHz级直接调制的能力。最后，通过直接调制PCSEL并传输正交幅度调制（QAM）信号，成功实现了超过10 Gbit/s的高速自由空间光通信。
这项研究表明，高功率PCSEL在自由空间光通信中具有巨大的应用潜力。未来，通过扩大PCSEL的发光面积和改进其内部和寄生频率特性，有望实现更高的输出功率和更大的带宽。此外，由于PCSEL具有大腔体尺寸，其具备窄线宽（1 kHz级或更小）操作的潜力，未来可应用于空间中的相干光通信。
这项研究的成功，将有助于开发更小、更简单、更高效的光通信发射器，推动包括回传网络和前传网络在内的多种应用的发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.523421
