激光雷達（Light Detection And Ranging, LiDAR）是提供高精度、高速率光學探測與傳感的主要解決方案。在激光雷達系統(tǒng)中，對空間有效掃描的激光光源是實現(xiàn)雷達探測傳感功能的核心。實現(xiàn)光束掃描的技術(shù)方案分為無源光束掃描與有源光束掃描。無源光束掃描包含半固態(tài)式的微機電（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）激光雷達，其通過機械轉(zhuǎn)動實現(xiàn)空間光束掃描；全固態(tài)式光學相控陣（Optical Phased Array, OPA），其通過改變波導的幾何形狀或折射率分布，實現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)和無機械掃描。與現(xiàn)有MEMS和OPA等無源掃描方案不同的是，有源光束掃描（Active beam scanning）使用主動發(fā)射的光源來進行掃描，能夠有效提升系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，提升輸出功率并降低空間系統(tǒng)復雜程度。

近日，中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊聯(lián)合北京大學彭超杰青團隊等，基于光子晶體面發(fā)射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）實現(xiàn)了電注入有源激光空間光束掃描。該結(jié)構(gòu)以AlGaInAs量子阱為增益介質(zhì)，利用有限尺寸光子晶體將連續(xù)能帶量子化為離散模式，得到對應遠場不同發(fā)散角激射的多階模式；結(jié)合載流子調(diào)控，使得不同階模式在不同注入電流下激射輸出，從而實現(xiàn)有源光束掃描。電注入PCSEL為二維有源激光空間掃描雷達提供了元器件支撐。

利用電流源高速驅(qū)動激光器，實現(xiàn)高達1 MHz速率的光束掃描，相較于傳統(tǒng)MEMS方案，掃描速率得到了一到兩個數(shù)量級上的提升。該激光器能夠提升傳感的并發(fā)規(guī)模、靈活度，并降低功耗。一方面，該激光器是面向激光雷達、激光成像、激光傳感領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)路線之一，為有源相控陣雷達提供了新調(diào)控機制；另一方面，其面發(fā)射特性在傳感探測、光子集成及大規(guī)模陣列化領(lǐng)域也具有獨特優(yōu)勢。

該成果以“Active Beam Steering Enabled by Photonic-Crystal Surface Emitting Laser”為題，7月11日發(fā)表于《美國化學學會-納米》（ACS Nano）（DOI：10.1021/acsnano.3c09793）。半導體所王明金青年研究員和北京大學王非凡博士后為論文共同第一作者，半導體所鄭婉華院士和北京大學彭超教授為論文共同通訊作者。

該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

圖1  PCSEL將連續(xù)能帶量子化為離散模式

圖2  高速光束掃描