纳米激光器VS发光二级管谁更胜一筹？

2015-10-20 16:19

　　美国桑迪亚国家实验室的Weng Chow和Mary Crawford最近理论分析了使用激光器而不是LED作为白光系统光源的潜在优势和缺陷。

　　低成本白色LED系统通常由一个蓝光或紫外光InGaN LED与荧光粉组合而成，长波能给人眼造成一种白色光效。

　　不幸的是，InGaN LED在高强度电流和结温的影响下会遭受电气和热效率降低的效果。降低的效果与器件发光区域的载体数量有关。

　　最近研究表明InGaN激光二极管能够避免阈值以上效率问题，载体数量处在一个相对较低的水平。

　　Chow和Crawford评论道：效率下降的程度能够通过激光器解决，这取决于无辐射损失、受激发射、自发辐射光和激光腔内吸收之间的相互作用。在基于激光照明发展的大量资源提交前，我们会做一个精确的定量评价。

　　首先，研究人员比较了LED和垂直腔表面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL），使用完全量子化的方法观察电子、洞及光子的行为。活动的区域为2nm单个量子井，LED的面积为100μmx100μm。VCSEL是3x3列阵，区域面积为5.6μmx5.6μm。与LED相比有3%的填充因素。VCSELs使用分布式布拉格反射镜(DBRs)进行限制。VCSEL列阵属性为1 W功率和1A电流。

　　模拟表明，低吸收腔使用LED性能能够实现高阀值的改进的功率和效率（图1）。然而，低阀值的低效率在普通照明应用中会限制激光的使用，如变暗的灯光有利于节能。

　　图1:（a）输出光功率和（b）发光效率，LED注入电流(虚线)和九个VCSEL列阵对比。实曲线显示激光阈值可获得情况，足够低腔损耗（1/ps和2/ps）。虚曲线显示的是4/ps腔高损耗，这种情况下激光是不可能的。自发辐射光系数是0.01。

　　因此，研究人员表明在非低效率和低电流的情况下，纳米激光器可成为替代品。该器件使用纳米谐振结构通过自发辐射光渠道进入激光模式，提供低阀值的更多的光。早在2012年，有报道称这样的器件在室温下能与光抽运协同运行。

　　图2:（a）输出光功率和（b）发光效率。注入电流(虚线)和144纳米激光器自发辐射光系数。实曲线显示激光阈值可获得情况，足够低腔损耗(1/ps和2/ps)。虚曲线显示的是4 / ps腔损失。

　　Chow和Crawford的纳米模拟12 x12列阵，60 nmx560nm细胞。与VCSEL数组相比0.5%填充因数。纳米激光器结构是基于VCSEL与光子晶格表面的。激光模式来源于光子晶格一个缺陷区，11 W功率和1A电流。该模型能提供低阈值LED和高阈值激光器类似的性能。（编译：Silvia）