封面 | 多环形腔VCSEL实现“双高突破”
闫观鑫, 郝永芹. 高光束质量大功率垂直腔面发射激光器[J]. 中国激光, 2024, 51(8): 0801001.
封面解读
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，进而有效抑制空间烧孔效应。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，更重要的是其光场最强，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。
课题组介绍
高功率半导体激光国家重点实验室在实验室主任马晓辉教授的带领下，在国内首次实现大光腔半导体激光器，突破近/中红外激光芯片关键技术瓶颈。实验室在大功率、高稳定性、高光束质量、多波长半导体激光研究领域取得了优秀成果，为半导体激光芯片自主可控提供全链条技术解决方案。
通信作者简介
郝永芹，研究员，博士生导师。长期从事垂直腔面发射半导体激光器方面的研究工作，主持完成多项国家及省部级科研课题，在垂直腔面发射激光器的设计理论、关键技术和测试手段等方面获得多项创新成果，获省部级科技奖励6项，发表学术论文40余篇，获10余项国家发明专利。
期刊简介
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题子刊和“生物医学光子学”专题子刊。
《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。
科学编辑 |长春理工大学 闫观鑫，郝永芹
编辑 |沈灵灵
聚焦前沿，续写新篇 |《中国激光》出版创刊五十周年纪念专辑
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