封面展示了具有多環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的大孔徑垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。通過將注入電流的區(qū)域分割成多個區(qū)域，可實現(xiàn)載流子分布的均勻化，進(jìn)而有效抑制空間燒孔效應(yīng)。該器件的近場分布均勻且明亮，遠(yuǎn)場呈高斯分布，滿足了光通信、3D 傳感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)Ω吖β矢吖馐|(zhì)量半導(dǎo)體激光源的需求，進(jìn)一步拓展了 VCSEL 在智能設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。此外，多環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計無需引入微透鏡、表面光柵等外部結(jié)構(gòu)，簡化了制備過程，為實現(xiàn)高光束質(zhì)量高功率的 VCSEL 提供了新的技術(shù)路徑。

一 研究背景

       垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種重要的半導(dǎo)體激光器，在光通信、光學(xué)傳感、激光打印等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，在消費市場的應(yīng)用也日益廣泛，如3D傳感、虹膜識別、激光雷達(dá)、距離傳感等。隨著應(yīng)用場景的拓展，人們對 VCSEL 的輸出功率和光束質(zhì)量也提出了更高的要求。

       根據(jù)VCSEL的結(jié)構(gòu)特點，要提高VCSEL單管器件的輸出功率必然需要增大其出光孔徑。然而，由于空間燒孔效應(yīng)與載流子聚集效應(yīng)的存在，有源區(qū)內(nèi)的載流子僅存在于孔徑邊緣位置，導(dǎo)致激光功率密度分布不均勻，進(jìn)而形成環(huán)狀激射光斑。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了大孔徑器件的光束質(zhì)量。

       目前，常采用外部反饋控制技術(shù)對高功率 VCSEL 光場進(jìn)行調(diào)控，如微透鏡、表面光柵等，但這些方法在制備時常需要復(fù)雜的工藝和精密的控制，在一定程度上增加了制備和集成的復(fù)雜性。因此，如何在提高器件功率的同時，獲得光束質(zhì)量更好的光場是當(dāng)前科研人員亟待解決的技術(shù)難題。

二 創(chuàng)新工作

       長春理工大學(xué)郝永芹研究員團(tuán)隊設(shè)計了一種具有多環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器，將注入電流區(qū)域分離成多個區(qū)域，以改善載流子的分布特性，從而優(yōu)化了大孔徑VCSEL的光場分布。

       對不同出光區(qū)占比的多環(huán)形腔VCSEL的光場分布進(jìn)行仿真（圖1），可以看出通過調(diào)整環(huán)形腔的尺寸和出光區(qū)域占比可以有效改善光場分布，且C結(jié)構(gòu)出光區(qū)域占比為67%，此時光場分布均勻，發(fā)光區(qū)域空間利用率較好，有利于獲得大功率輸出。

圖1 不同出光區(qū)占比的多環(huán)形腔VCSEL的光場分布。（A） 50%；（B） 75%；（C）67%

       在同一外延片上同時制備了出光孔外部直徑相同的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)VCSEL，對其光場均勻性及輸出特性等進(jìn)行比較分析，如圖2所示。優(yōu)化后的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的各個發(fā)光區(qū)都發(fā)光，且光場分布較均勻，大大改善了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)因載流子聚集效應(yīng)和空間燒孔效應(yīng)導(dǎo)致的光場分布極差的現(xiàn)象。C結(jié)構(gòu)不僅光場均勻性較好，發(fā)光區(qū)域利用率很高，更重要的是其光場，這與理論仿真結(jié)果一致。

圖2　不同出光區(qū)占比的多環(huán)形腔 VCSEL 的近場測試結(jié)果（注入電流為 0.6 A）。（A）50%；（B）75%；（C）67%；（D）100%

       此外，采用CCD成像技術(shù)對C結(jié)構(gòu)VCSEL的遠(yuǎn)場及束腰等光束參數(shù)進(jìn)行了測量，如圖3所示。遠(yuǎn)場的光場中心強度較強，呈現(xiàn)高斯分布，并利用激光光束傳播的高斯方程擬合求得了光束質(zhì)量因子的值分別為1.226、1.126。這表明新型結(jié)構(gòu)對器件輸出特性的提升具有重大意義，進(jìn)而可推動其在通信、激光雷達(dá)和醫(yī)療成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 （a）新型結(jié)構(gòu)VCSEL的遠(yuǎn)場分布圖；（b）光束半徑與光束傳播距離關(guān)系曲線圖

三 結(jié)論與展望

       未來，團(tuán)隊將致力于進(jìn)一步優(yōu)化高功率垂直腔面發(fā)射激光器的光束質(zhì)量。深入研究VCSEL激光器功率、溫度及光場的內(nèi)在關(guān)系，分析其輸出特性，以尋求更高效率的調(diào)控方法，確保激光器具備高質(zhì)量、高功率的輸出特性，從而促進(jìn)高功率VCSEL激光器在3D傳感、光通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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