在激光技術(shù)的發(fā)展歷程中，如何實(shí)現(xiàn)高亮度、高穩(wěn)定性的光束輸出一直是科研人員不懈探索的目標(biāo)。近日，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究團(tuán)隊(duì)在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，為這一領(lǐng)域帶來(lái)了突破性進(jìn)展。他們開(kāi)發(fā)的弱反導(dǎo)雙腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列^[1]，通過(guò)創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電流耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了超模式激光發(fā)射的大幅穩(wěn)定性提升，為高亮度光應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。

激光的“亮度”并非簡(jiǎn)單指光的強(qiáng)弱，而是衡量其在單一光學(xué)模式（尤其是基模）中集中能量的能力。對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管而言，多模激射現(xiàn)象使其亮度往往遜色于光纖激光器。傳統(tǒng)提升亮度的方法要么擴(kuò)大激活體積以抑制高階模，要么通過(guò)光譜合成多個(gè)單模激光束。而當(dāng)激光器通過(guò)光學(xué)耦合連接時(shí)，一種全新的“超?！睉?yīng)運(yùn)而生——其波函數(shù)分布在多個(gè)腔體內(nèi)，成為實(shí)現(xiàn)高亮度的關(guān)鍵控制對(duì)象^[2]。

研究團(tuán)隊(duì)此次開(kāi)發(fā)的940nm雙腔光子晶體VCSEL陣列，突破性地實(shí)現(xiàn)了“弱反導(dǎo)”設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)強(qiáng)限制結(jié)構(gòu)不同，這種設(shè)計(jì)通過(guò)降低光學(xué)耦合腔之間的電阻，巧妙利用了腔間電流的“串?dāng)_效應(yīng)”。實(shí)驗(yàn)表明，這種設(shè)計(jì)不僅能在擴(kuò)展的相干區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)同相（遠(yuǎn)場(chǎng)軸上出現(xiàn)主瓣）和異相（遠(yuǎn)場(chǎng)軸上出現(xiàn)零值）兩種超模的穩(wěn)定運(yùn)行，還能在連續(xù)波操作下使任一超模的輸出功率超過(guò)4mW。

該陣列940nm頂部發(fā)射的VCSEL外延層采用AlAs/AlGaAs分布式布拉格反射鏡，無(wú)需氧化物孔徑，頂部輸出鏡為17個(gè)周期結(jié)構(gòu)。光學(xué)限制由刻蝕在頂部反射鏡上的光子晶體圖案提供，腔體由光子晶體圖案中缺失的孔定義，如圖1所示，這種“缺陷”設(shè)計(jì)恰是光學(xué)耦合的關(guān)鍵。

圖1雙腔離子注入六邊形光子晶體刻蝕后的光學(xué)圖像

電約束則通過(guò)離子注入實(shí)現(xiàn)，其在空間上限定了雙增益區(qū)。器件左右兩側(cè)設(shè)置獨(dú)立電接觸，可分別控制注入每個(gè)腔體的電流。光子晶體圖案中刪除兩個(gè)孔以創(chuàng)建反導(dǎo)光學(xué)耦合腔，孔間距和直徑經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)（4μm周期、2.4μm直徑孔），分隔雙腔的孔直徑減小以促進(jìn)耦合，其簡(jiǎn)易示意圖如圖2所示。

圖2電約束的簡(jiǎn)化示意圖

通過(guò)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獨(dú)立掃描兩個(gè)注入電流，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)雙元件光子晶體VCSEL陣列的連續(xù)波光輸出功率和遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布進(jìn)行了表征。如圖3所示的三維光輸出表面圖清晰顯示，與以往相干雙VCSEL陣列不同，新陣列在對(duì)角線(xiàn)方向出現(xiàn)兩條大致平行的“功率脊”，分別對(duì)應(yīng)同相和異相超模式的工作區(qū)域。

圖3三維光輸出表面圖

遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布測(cè)量進(jìn)一步驗(yàn)證了超模式的獨(dú)特性。圖3中，A、B、C點(diǎn)對(duì)應(yīng)異相超模（分裂瓣），D、E、F點(diǎn)對(duì)應(yīng)同相超模（中央瓣），不同的遠(yuǎn)場(chǎng)可見(jiàn)度源于各超模式相對(duì)強(qiáng)度的差異。這種非簡(jiǎn)并超模的存在產(chǎn)生了光子-光子共振，不僅可測(cè)量，還為增強(qiáng)數(shù)字調(diào)制提供了可能^[3]。

為探究相干工作區(qū)域擴(kuò)展的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于離子注入隔離區(qū)引起的電串?dāng)_電流。如圖2所示的簡(jiǎn)化示意圖，正向偏壓下，注入電流I_left和I_right分別流入各自腔體，遇到串聯(lián)電阻R_left和R_right，而隔離區(qū)的有效電阻R_implant允許部分電流橫向擴(kuò)散，形成串?dāng)_電流。通過(guò)迭代求解器結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的腔體電壓和電阻提取，研究人員發(fā)現(xiàn)串?dāng)_電流能有效降低閾值并拓寬支持相干超模運(yùn)行的電流范圍。圖4中，歸一化串?dāng)_電流的方向和大小與穩(wěn)定超模區(qū)域疊加顯示：左到右的箭頭表示電流從左腔流向右腔，反之亦然，而顏色深淺反映電流強(qiáng)度——這直接印證了串?dāng)_電流對(duì)超模穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用。

圖4同相和異相超模的工作區(qū)域與注入電流的關(guān)系

（一）超模穩(wěn)定性

“峰值比”作為衡量雙腔VCSEL陣列相干度和超模主導(dǎo)性的關(guān)鍵指標(biāo)，其定義為遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布傅里葉變換后旁瓣峰值與中心峰值的比值。圖5顯示，峰值比小于0.1對(duì)應(yīng)高斯模式，大于0.3對(duì)應(yīng)超模發(fā)射。與先前設(shè)計(jì)相比，新陣列的峰值比曲線(xiàn)清晰表明其相干區(qū)域更寬、更明顯，實(shí)現(xiàn)了從單腔高斯模式到相干超模的平滑過(guò)渡。

圖5根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布計(jì)算峰值比

（二）功率與效率的雙重提升

圖4展示了兩種超模的輸出功率隨總電流的變化曲線(xiàn)：藍(lán)色為同相超模，綠色為異相超模，兩者均實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4mW的輸出功率且邊模抑制比優(yōu)異。值得注意的是，相干超模的激光閾值低于單腔模式，這源于其固有的低模增益需求，而元件間強(qiáng)烈的電流耦合進(jìn)一步強(qiáng)化了這一特性。

（三）高亮度應(yīng)用的廣闊前景

弱反導(dǎo)設(shè)計(jì)帶來(lái)的操作靈活性——即在寬電流組合范圍內(nèi)支持穩(wěn)定超模運(yùn)行的能力，使該VCSEL陣列在多種高亮度應(yīng)用中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在低電流或非對(duì)稱(chēng)注入條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光發(fā)射的特性，使其成為數(shù)據(jù)中心高密度芯片間互連、醫(yī)療環(huán)境光學(xué)傳感器，甚至神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的理想候選者。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)無(wú)需復(fù)雜的外部相位鎖定系統(tǒng)，通過(guò)集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光束控制，為光子芯片的大規(guī)模生產(chǎn)提供了可行性。此外，硅基平臺(tái)的潛在兼容性（盡管當(dāng)前研究基于III-V族材料）也為未來(lái)電光集成開(kāi)辟了道路。

這項(xiàng)研究不僅展示了弱反導(dǎo)雙腔光子晶體VCSEL陣列在擴(kuò)展相干超模區(qū)域方面的優(yōu)勢(shì)，更揭示了串?dāng)_電流在增強(qiáng)穩(wěn)定性和可調(diào)性中的核心作用。與強(qiáng)限制設(shè)計(jì)相比，該方法克服了傳統(tǒng)VCSEL陣列相干區(qū)域狹窄的挑戰(zhàn)，結(jié)合低功率調(diào)制能力，為高亮度光應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

未來(lái)研究可聚焦于以下方向：

• 進(jìn)一步優(yōu)化鏡面蝕刻工藝并引入高反射涂層以提升激光性能；

• 通過(guò)量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將發(fā)射波長(zhǎng)拓展至1300nm；

• 探索與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的集成，解決高溫工藝對(duì)芯片組件的潛在損害問(wèn)題。

參考：

[1]Pflug D W, Armstrong C, Raftery E, et al. Enhanced Supermode Stability in Weakly Anti-Guided Dual-Cavity Photonic Crystal VCSEL Arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2025. 

[2]Jahan N, Choquette K D. Supermode analysis and characterization of triangular vertical cavity surface emitting laser diode arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2023, 15(4): 1-7.

[3]Fryslie S T M, Gao Z, Dave H, et al. Modulation of coherently coupled phased photonic crystal vertical cavity laser arrays[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, 23(6): 1-9.

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