多环形垂直腔面发射激光器VCSEL实现“双高突破”

  封面展示了具有多环形腔结构的大孔径垂直腔面发射激光器（VCSEL）。通过将注入电流的区域分割成多个区域，可实现载流子分布的均匀化，进而有效空间烧孔效应。该器件的近场分布均匀且明亮，远场呈高斯分布，满足了光通信、3D 传感、激光雷达等领域对高功率高光束质量半导体激光源的需求，进一步拓展了 VCSEL 在智能设备领域中的应用范围。此外，多环形腔结构的设计无需引入微透镜、表面光栅等外部结构，简化了制备过程，为实现高光束质量高功率的 VCSEL 提供了新的技术路径。

一 研究背景

       垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种重要的半导体激光器，在光通信、光学传感、激光打印等领域具有广泛的应用前景，在消费市场的应用也日益广泛，如3D传感、虹膜识别、激光雷达、距离传感等。随着应用场景的拓展，人们对 VCSEL 的输出功率和光束质量也提出了更高的要求。

       根据VCSEL的结构特点，要提高VCSEL单管器件的输出功率必然需要增大其出光孔径。然而，由于空间烧孔效应与载流子聚集效应的存在，有源区内的载流子仅存在于孔径边缘位置，导致激光功率密度分布不均匀，进而形成环状激射光斑。这种现象严重影响了大孔径器件的光束质量。

       目前，常采用外部反馈控制技术对高功率 VCSEL 光场进行调控，如微透镜、表面光栅等，但这些方法在制备时常需要复杂的工艺和精密的控制，在一定程度上增加了制备和集成的复杂性。因此，如何在提高器件功率的同时，获得光束质量更好的光场是当前科研人员亟待解决的技术难题。

二 创新工作

       长春理工大学郝永芹研究员团队设计了一种具有多环形腔结构的垂直腔面发射激光器，将注入电流区域分离成多个区域，以改善载流子的分布特性，从而优化了大孔径VCSEL的光场分布。

       对不同出光区占比的多环形腔VCSEL的光场分布进行仿真（图1），可以看出通过调整环形腔的尺寸和出光区域占比可以有效改善光场分布，且C结构出光区域占比为67%，此时光场分布均匀，发光区域空间利用率较好，有利于获得大功率输出。

图1 不同出光区占比的多环形腔VCSEL的光场分布。（A） 50%；（B） 75%；（C）67%

       在同一外延片上同时制备了出光孔外部直径完全相同的传统结构和新型结构VCSEL，对其光场均匀性及输出特性等进行比较分析，如图2所示。优化后的环形腔结构的各个发光区都完全发光，且光场分布较均匀，大大改善了传统结构因载流子聚集效应和空间烧孔效应导致的光场分布极差的现象。C结构不仅光场均匀性较好，发光区域利用率很高，更重要的是其光场，这与理论仿真结果一致。

图2　不同出光区占比的多环形腔 VCSEL 的近场测试结果（注入电流为 0.6 A）。（A）50%；（B）75%；（C）67%；（D）100%

       此外，采用CCD成像技术对C结构VCSEL的远场及束腰等光束参数进行了测量，如图3所示。远场的光场中心强度较强，呈现高斯分布，并利用激光光束传播的高斯方程拟合求得了光束质量因子的值分别为1.226、1.126。这表明新型结构对器件输出特性的提升具有重大意义，进而可推动其在通信、激光雷达和医疗成像等领域的应用。

图3 （a）新型结构VCSEL的远场分布图；（b）光束半径与光束传播距离关系曲线图

三 结论与展望

       未来，团队将致力于进一步优化高功率垂直腔面发射激光器的光束质量。深入研究VCSEL激光器功率、温度及光场的内在关系，分析其输出特性，以寻求更高效率的调控方法，确保激光器具备高质量、高功率的输出特性，从而促进高功率VCSEL激光器在3D传感、光通信等领域的广泛应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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