封面展示了具有多環(huán)形腔結構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，進而有效抑制空間燒孔效應。該器件的近場分布均勻且明亮，遠場呈高斯分布，滿足了光通信、3D 傳感、激光雷達等領域對高功率高光束質量半導體激光源的需求，進一步拓展了 VCSEL 在智能設備領域中的應用范圍。此外，多環(huán)形腔結構的設計無需引入微透鏡、表面光柵等外部結構，簡化了制備過程，為實現(xiàn)高光束質量高功率的 VCSEL 提供了新的技術路徑。

一 研究背景

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

       根據(jù)VCSEL的結構特點，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，由于空間燒孔效應與載流子聚集效應的存在，有源區(qū)內的載流子僅存在于孔徑邊緣位置，導致激光功率密度分布不均勻，進而形成環(huán)狀激射光斑。這種現(xiàn)象嚴重影響了大孔徑器件的光束質量。

       目前，常采用外部反饋控制技術對高功率 VCSEL 光場進行調控，如微透鏡、表面光柵等，但這些方法在制備時常需要復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雜性。因此，如何在提高器件功率的同時，獲得光束質量更好的光場是當前科研人員亟待解決的技術難題。

二 創(chuàng)新工作

       長春理工大學郝永芹研究員團隊設計了一種具有多環(huán)形腔結構的垂直腔面發(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的光場分布進行仿真（圖1），可以看出通過調整環(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結構出光區(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)結構和新型結構VCSEL，對其光場均勻性及輸出特性等進行比較分析，如圖2所示。優(yōu)化后的環(huán)形腔結構的各個發(fā)光區(qū)都發(fā)光，且光場分布較均勻，大大改善了傳統(tǒng)結構因載流子聚集效應和空間燒孔效應導致的光場分布極差的現(xiàn)象。C結構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成像技術對C結構VCSEL的遠場及束腰等光束參數(shù)進行了測量，如圖3所示。遠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量因子的值分別為1.226、1.126。這表明新型結構對器件輸出特性的提升具有重大意義，進而可推動其在通信、激光雷達和醫(yī)療成像等領域的應用。

圖3 （a）新型結構VCSEL的遠場分布圖；（b）光束半徑與光束傳播距離關系曲線圖

三 結論與展望

       未來，團隊將致力于進一步優(yōu)化高功率垂直腔面發(fā)射激光器的光束質量。深入研究VCSEL激光器功率、溫度及光場的內在關系，分析其輸出特性，以尋求更高效率的調控方法，確保激光器具備高質量、高功率的輸出特性，從而促進高功率VCSEL激光器在3D傳感、光通信等領域的廣泛應用。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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