前沿技术 | 用于光学无线能量传输的半导体激光器及激光电池

4月19日，918博天娱乐CTO王俊博士受邀在OPTICS & PHOTONICS International Congress 2023 (OPIC2023)国际大会做《Semiconductor laser and power converter for optical wireless power transmission》的学术报告，详细报告了用于激光无线能量传输（808 nm和1μm）的发射端激光芯片及模块、接收端单结/多结激光电池芯片及？、激光无线传能系统的最新进展。包括：输出功率为19W@100μm的808nm激光器芯片，电光转换效率为70%的780nm激光器芯片，输出功率为3000 W光纤耦合激光器？椋还獾缱恍饰70.1%、输出功率为15.45 W、芯片尺寸40.7 mm*45.1 mm的六结激光电池芯片，输出功率为179W的20m激光无线传能系统演示系统。输出功率为51 W@230μm的9xxnm激光器芯片，输出功率为600 W的1μm激光器？椋还獾缱恍饰40.1%的晶格异变1μm激光电池芯片。

该报告为国内外首次报告全半导体全自主全链路的激光无线能量传输芯片，受到了国内外同行的高度评价，引发强烈反响。

 

 

报告中文译文▼

Semiconductor laser and power converter for optical wireless power transmission

用于光学无线能量传输的半导体激光器及激光电池

 

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*，苟于单^a,b*，杨火木^a，邓国亮^a，牟志强^a

^a四川大学，成都

^b苏州918博天娱乐光电技术股份有限公司，苏州

 

 

摘要

激光无线能量传输技术以激光为载体，实现电能在自由空间中无线传输。本文报告了用于激光无线能量传输（808 nm和1 μm）的发射端激光芯片及？、接收端单/多结激光电池芯片及？、激光无线传能系统的最新进展。包括：输出功率为19W@100μm的808nm激光器芯片，电光转换效率为70%的780nm激光器芯片，输出功率为3000 W光纤耦合激光器？椋还獾缱恍饰70.1%、输出功率为15.45 W、芯片尺寸40.7 mm*45.1 mm的六结激光电池芯片，输出功率为179W的20m激光无线传能系统演示系统。输出功率为51 W@230μm的9xxnm激光器芯片，输出功率为600 W的1μm激光器？椋还獾缱恍饰40.1%的晶格异变1μm激光电池芯片。

 

 

1.0  引言

 

激光无线能量传输技术具有高能量密度和远距离传输优势。可以为在轨卫星、无人机、移动终端等装备持续供电/补电[1, 2]，如图1所示，拥有广阔的应用前景。

 

图1 激光无线能量传输应用于无人机持续供电/补电（无人机图片来源网络）

 

激光无线能量传输系统主要由发射端的激光器系统和接收端的激光电池系统组成，其中发射端激光器芯片及？榈牡绻馓匦，接收端激光电池芯片及？榈墓獾缣匦允怯跋旒す馕尴吣芰看湎低呈涑鎏匦缘墓丶蛩[3, 4]。基于此，针对激光在大气中传输的透过率特征，如图2所示，本文报道了808 nm和1 μm发射端和接收端的芯片及？榈淖钚陆，以及激光无线能量传输系统应用的情况。

 

图2 激光在大气中传输的穿透性特征(图片来源：胡国行 激光地对空传输计算；第四届无线传能与能源互联技术论坛）

 

2.1  808 nm激光芯片及模块

 

图3是808 nm和780 nm激光芯片采用GaInP/GaAsP无铝有源区的LOC结构激光器芯片LIV特征，优化了掺杂和波导厚度以降低电阻和内部损耗。808nm激光芯片的输出功率为19W@100μm，是目前报道的808nm的最大功率。780nm激光芯片的输出功率达到120W，效率高达70%，是迄今为止该波长下的最高效率。

图3 808 nm和780 nm激光芯片LIV特征

 

918博天娱乐制备了808 nm光纤耦合？，采用偏振合束的方式，其输出功率为150W，光纤芯径135 μm/0.22NA，光谱宽度小于等于5nm，结果如图4和表1所示。

图4 808 nm 150W 135 μm/0.22NA光纤耦合？槠窈鲜疽馔、LIV、光谱

 

表1  808 nm 150W 135 μm/0.22NA光纤耦合？樘卣鞑问

 

918博天娱乐制作了808 nm激光自由空间发射模块，如图5所示，采用空间合束的方式，输出1kW的激光功率，激光光束传播20m形成方形光斑，光斑不均匀度小于0.271。

图5 1kW 808 nm自由空间激光发射系统

 

918博天娱乐也制备了3000W的光纤耦合激光器？，采用偏振合束的方式，光纤芯径600μm/0.22NA，光谱宽度小于等于10nm，结果如图6和表2所示。

图6 808 nm 3000W 600μm/0.22NA光纤耦合？槠窈鲜疽馔、LIV、光谱

 

表2  808 nm 3000W 600μm/0.22NA光纤耦合？樘卣鞑问

 

2.2  808nm激光电池芯片及？

 

在接收端，采用隧穿峰值电流密度为1867 A/cm²、隧穿电阻率为6.9×10^-5 Ω cm²的p++-AlGaAs/n++-AlGaAs隧道结构垂直串联多吸收区。如图7所示，形成多结结构。

图7  (a) 六结GaAs 激光电池的结构示意图。(b) p++-AlGaAs/n++-AlGaAs隧道结器件的实验结果，插入的图片是隧道结的结构示意图[5]。

 

918博天娱乐生长和制备了不同面积、不同结数的激光电池芯片及？，其典型光电特性如图8所示。6结激光电池最高光电转换效率达到了70.1%，最大输出功率达到了15.45 W，最大芯片面积达到了40.7 mm*45.1 mm。

图8 (a) 单结GaAs激光电池器件性能；(b) 6结GaAs激光电池器件性能；(c) 大面积6结GaAs激光电池器件性能

 

918博天娱乐对该激光电池进行了可靠性测试，如图9所示，在22.9W激光辐照下稳定输出持续了550小时无衰减。

图9 6结GaAs激光电池可靠性测试

 

2.3  808nm激光无线能量传输演示系统

 

918博天娱乐构建了一个千瓦级808 nm激光无线能量传输系统。如图10所示，一束1 kW激光传输20m辐照在49×44 cm²的激光电池密集阵列上[7]，接收端输出电功率达到了179W。未来918博天娱乐将对接收端进一步优化以提升其输出特性，包括提高阵列散热能力和基于动态激光光斑分布的在线电路调控等。

 

图10 808nm激光无线能量传输演示系统。(a) 激光电池阵列（面积：49×44 cm2）。(b) 激光电池阵列在1kW激光照射下的I-V曲线。(c) 1kW激光照射下的20m无线传输实验。(d) 1kW激光照射下的激光电池阵列[5]。

 

2.4  1 μm激光芯片及？

 

高电流下的功率翻转限制了功率的增加。导致翻转的两个机制是：（1）焦耳热提升量子阱温度，（2）载流子在高温下从量子阱逃逸。918博天娱乐设计了双不对称结构来降低电阻，抑制载流子泄漏，电阻降低30%。918博天娱乐报道了9xxnm 230μm激光器芯片，具有最高的51W输出功率，结果如图11所示。

 

图11  9XX高功率激光器性能

 

典型的宽条激光器的横向亮度受到远场的限制。温度的不均匀性而不是平均温度导致了远场轰动。918博天娱乐开发了一种新型的高亮度激光器结构，采用优化的非均匀接触金属层来改变热导率曲线。如图12所示，在优化的结构中，波导的温度不均匀性降低了30%以上。

图12 亮度提升

 

现在市场需求高亮度、高功率、高效率、低体积、低重量的光纤耦合？。为了实现这样的目标，有两种方法：一种是在芯片层面上进行提升，另一种是通过光学合束技术提升输出亮度。很明显，空间合束的亮度和功率无法同时提升，这可以从模拟中了解到，12个光束几乎填满了NA，而沿快轴的尾部则穿透到包层中，这是非常危险的，因为光束超出NA或进入包层会烧毁涂层，如图13所示。叠加更多的光束超出了光纤限制，因此918博天娱乐需要找出一种新的方法来进一步提高亮度、功率和效率。对于光学合束技术，密集波长合束是较好的选择。

图13 光纤耦合泵浦优化

 

但仅仅是DWBC是不够的。在DWBC中使用的传统光源是二极管激光器，它具有降低亮度的smile效应。此外，在相同的电流密度条件下，与单管光源相比，偏振比更低。当腔体中存在异常偏振态时，这将引起额外的功率损失。918博天娱乐使用单管来避免smile效应和热串扰。918博天娱乐的高功率、高亮度、高效率的光纤耦合？榈淖樽傲鞒掏伎梢苑治5个步骤（如图14所示）：（1）将裸芯片安装到氮化铝基座上，（2）将芯片空间堆叠在铜制子？樯，（3）所有芯片进行密集光谱合束，（4）使用一个偏振合束器在保持相同光束质量的情况下进一步提升输出功率，（5）将合成光束耦合进光纤。

图14 高功率、高亮度、高效率的光纤耦合模块组装流程

 

通过复杂的外延设计和工艺控制，120μm发光区宽度的单管芯片能够在14A时输出13W，PCE为63.1%，同时两个轴的发散角得到很好的控制。发散角是非常重要的参数，它决定了基于单管芯片的DWBC中的光纤耦合效率。这与基于激光二极管巴条的DWBC不同。在基于单管芯片的DWBC中，芯片的近场会影响最终的光纤输出发散角，而芯片的远场决定了耦合效率。因此，光纤耦合？榈姆⑸⒔墙换崴孀诺缌鞯脑龃蠖龃。NA将变得更好，因为芯片的近场在高电流下会收缩。

图15 高性能120 μm激光器芯片

 

918博天娱乐开发了一个具有12个单管芯片的低smile和高偏振比的“人造激光二极管巴条”。快轴和慢轴在？橹惺亲贾钡，但残余发散仍然太大。这就是为什么两个轴需要重新准直的原因。？橹械拿扛鲂酒涞木嗬牒艽，以避免热串扰。因此，被动冷却就能够对？榻辛己玫纳⑷，简化了散热结构。该模块的偏振率在大电流下高达95.6%，这意味着使用偏振相关的光学元件来进行合束依然能够保持极高的效率。

 

图16 120μm芯片的高性能M12模块

 

所有的基于单管芯片的子？槭涑龉馐钪毡痪劢沟揭桓100μm的光纤中。为了提高快轴的光束质量，所有M12？楸恍90度，如图17所示。左边的3个和右边的3个子？橛梢桓鐾干涔庹そ泄馄缀铣，然后一个偏振分光器立方体通过偏振合束将两个300W的合成输出，使亮度增加一倍。聚焦透镜前放置了一个孔径光阑，保证100%的光都包含在0.17NA内，这保证了最终光纤输出的发散角。

图17 将M12？樾90°，在快速轴方向上应用DWBC

 

所有的结果都与918博天娱乐的设计目标相吻合，除了光谱宽度（FWHM），它比918博天娱乐的期望值大0.2nm，因为2个300W引擎的波长没有完全重合。在400W输出时，PCE峰值为51.3%。在14A的工作电流下实现了创纪录的超高输出功率687W。这样的结果也展示了基于单管芯片密集光谱合束技术的光纤耦合？榈那绷。

图18  600 W/100 μm 光纤耦合？

 

2.5  1 μm激光电池芯片及？

 

图19显示了GaAs/InGaAs晶格异变缓冲层的结构设计及其材料表征，918博天娱乐提出了组分步进结合组分过冲和组分回调的结构设计，实现了缓冲层晶格弛豫度和表面粗糙度同时调控，并有效降低了穿透位错密度（TDD＜1×10⁶ cm^-2）。

图19 GaAs/InGaAs晶格异变缓冲层表面粗糙度、晶格弛豫度、穿透位错表征

 

在此晶格异变缓冲层上生长1 μm激光电池吸收区，在1 μm激光照射下，其光电转换效率达到了44.1%。在4W激光辐照下稳定输出持续了550小时无衰减。

图20  (a) 在1064nm激光照射条件下，InGaAs晶格异变激光电池的I-V曲线。(b) 可靠性测试[6]。

 

3.0  总结

 

本文报告了本研究团队在全半导体激光无线能量传输芯片及系统的最新成果，包括808 nm和1 μm的发射端激光芯片及？椤⒔邮斩说/多结激光电池芯片及？、激光无线传能系统的最新进展。

 

4.0  致谢

 

感谢苏州918博天娱乐光电技术股份有限公司、四川大学对本项工作的支持。

 

 

参考文献

[1]C. Algora, I. García, M. Delgado, R. Peña, C. Vázquez, M. Hinojosa, and I. Rey-Stolle, "Beaming power: Photovoltaic laser power converters for power-by-light," Joule (2021).

[2]K. Jin and W. Zhou, "Wireless Laser Power Transmission: A Review of Recent Progress," IEEE Transactions on Power Electronics 34, 3842-3859 (2019).

[3]S. Fafard and D. P. Masson, "Perspective on photovoltaic optical power converters," Journal of Applied Physics 130(2021).

[4]M. C. York and S. Fafard, "High efficiency phototransducers based on a novel vertical epitaxial heterostructure architecture (VEHSA) with thin p/n junctions," Journal of Physics D: Applied Physics 50, 173003 (2017).

[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).

[7]L. Juan, Y. Hao, Y. Tiancheng, G. Yudan, Y. Huomu, and W. Jun, "Design of high efficiency diode laser module for wireless power transmission," Infrared and Laser Engineering 50, 20210147-20210141-20210147-20210148 (2021).