高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来

垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有可调控的光斑形貌、易于二维集成、窄光谱宽度、尺寸小等独特优势，尤其是VCSEL具有较高的波长温度稳定性与无腔面损伤特性，在工作温度要求苛刻的高温环境下具有极为优秀的工作表现。

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室王立军院士团队受邀在《光子学报（Acta Photonica Sinica）》发表封面综述文章：《高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来（特邀）》。本文首先介绍VCSEL温度特性，分析高温环境下VCSEL主要优势——波长稳定性与高温低功耗特点的理论原因；然后介绍量子精密测量、数据中心应用典型的高温VCSEL发展现状；最后对高温工作VCSEL未来的发展方向及潜在应用领域做简要分析。

激光器的工作波长由其腔内振荡结构决定，因而VCSEL的工作波长由激光器两侧的DBR反射镜结构，以及中心的发光区材料层结构决定。由下图可以看出，多层的DBR材料对形成了宽的反射谱；反射谱的中心波长位置出现明显的凹陷，称之为腔模位置，在该位置如果仅有DBR的话，则会是整个反射谱反射率最高处。随着工作温度的增加，DBR的反射谱整体向着长波方向漂移，同时腔模位置向着长波方向漂移，但是整个反射谱的形状与反射率几乎没有变化。DBR反射镜的中心波长随温度的漂移速率大约为0.06 nm/℃，比常规的高功率边发射激光器的波长漂移速度（0.3 nm/℃）低一个数量级。在高温环境下对波长敏感的原子传感等探测测量应用中，VCSEL具有很明显的应用优势。

20对GaAs/AlAs组成的DBR反射镜在不同温度下的反射谱

激光器的模式增益，是指激光器出光波长位置可以获取的材料增益。常规的边发射半导体激光器出光波长由量子阱的增益峰位置决定，其模式增益基本与发光区材料的增益变化趋势一致。对于VCSEL，虽然发光区材料的增益在高温下会出现衰减，然而整个器件的阈值、功率等特性却不一定会随之衰减，这是因为VCSEL的出光波长是由DBR反射镜及发光区共同组成的振荡腔结构决定的。由于VCSEL出光波长随温度漂移较慢（0.06 nm/℃），而发光区的增益峰随温度漂移较快（约为0.3 nm/℃），因此VCSEL的增益水平可以通过增益谱与腔模的相对位置来进行调整。下图为典型的工作温度变化引起的VCSEL增益谱与腔模相对位置变化情况。VCSEL在高温下并不会比边发射激光器获得更高的光增益，但是可以通过腔模设计实现对模式增益变化趋势的调控以抑制增益快速衰减的趋势，在高温下获得稳定的增益水平。

增益峰—腔模失配型VCSEL增益谱与腔模随工作温度变化关系

通过增益—腔模失配设计，可以实现VCSEL在高温下的阈值电流特性与室温下类似。同时，VCSEL的斜率效率、功率等参数也将在高温下有着比较好的表现。VCSEL的功耗水平、波长、功率、效率等关键参数在不同工作温度下发生很小的波动，这对VCSEL在量子精密测量等对功耗比较敏感的领域得到应用具有重要意义。

量子精密测量技术是采用原子的量子效应实现对基本物理量如时间、磁场和角速度的测量，目前已有的量子精密测量装置包括芯片原子钟、量子磁强计与量子陀螺仪。量子精密测量技术需要实现芯片级的尺寸，则必须采用低功耗、可贴片式集成的激光光源。同时，为保证原子气室内的原子有足够高的活性，整个物理核心部分需要加热至高温环境，由于激光光源距离原子气室非常近，因而核心的激光光源必须在高温下长期工作。2000年，美国NIST的KITCHING J等报道采用VCSEL进行芯片级的相干布居俘获（CPT）原子钟原理验证的结果，其结构如下图所示，由此开启了采用VCSEL开发量子精密测量装置的研究领域。VCSEL作为量子精密测量系统的核心光源，主要用于系统内部高温原子气体的激活、检测等功能。量子精密测量技术要求VCSEL在高温环境下必须具备低功耗、窄线宽、单模、单偏振等高性能指标，是VCSEL领域的顶尖技术。本文对量子精密测量碱金属原子泵浦高温VCSEL进行分析，并对其国内外发展历程与进展现状进行了介绍。

芯片原子钟典型物理结构

国际上美国Sandia实验室，德国ULM大学及俄罗斯Ioffe研究所等单位是该领域的优势研究单位。中科院长春光机所王立军院士团队在国内率先布局量子精密测量高温VCSEL方向，代表该领域国内最高研究水平。团队宁永强、张建伟、张星、周寅利等人陆续提出增益腔模失配设计方法、高阶光栅偏振控制方法、微纳浮雕模式调控方法等一系列创新性研究方法，经过近十年研究，实现芯片原子钟专用VCSEL达到国际同等水平，为我国量子精密测量技术发展以及在未来国际竞争中占据优势奠定了坚实基础。

数据中心是人类信息化社会的象征，目前人类对信息通信的依赖程度远远超出想象，已经无法脱离数据中心。未来随着5G时代的到来，实现万物互联将会对数据中心的数据处理量带来数量级的提升，随之而来的是数据中心带来的巨大能耗需求。因而仅仅依靠采用改善散热环境来降低能耗的方法不可持续，提高数据中心内部元器件可耐受的高温工作温度不失为另一个良好的解决办法。VCSEL是数据中心短距离光互联通信的核心光源。近年来，980 nm VCSEL的高速特性及低功耗特性受到人们广泛关注，尤其是柏林工业大学，针对数据中心应用需求提出了“绿色光子学”概念，在高温高速低功耗VCSEL研究中做了大量研究工作。本文分析了数据中心能耗问题带来的高温高速VCSEL需求，并对850 nm与980 nm两个波段的高温高速VCSEL发展历程进行了介绍。美国伊利诺伊大学，瑞典查尔姆斯理工大学，德国柏林工业大学以及我国台湾国立交通大学等长期研究高温高速VCSEL，从VCSEL器件结构、制备公司到封装方式开展优化，报道了一系列较好结果。柏林工业大学针对数据中心应用需求提出了“绿色光子学”概念，在高温高速低功耗980nm VCSEL研究中做了大量研究工作；VIS公司采用量子点发光区结构实现了VCSEL高达180℃的高速调制。

用于光互连的980 nm高速VCSEL的横截面示意

VCSEL在体积、功耗、光束质量等特性方面具有无可比拟的独特优势，在其诞生四十余年间，不断推动着传感、通信等领域关键核心系统向着低功耗与小型化方向发展。量子精密测量技术是未来顶尖的精密传感技术，数据中心是人类信息化发展的基础，两者均对VCSEL的高温工作能力提出了迫切需求。传感与通信技术的进步对信息社会发展影响深远。作为这两大领域的核心元器件，新的高温工作VCSEL技术无疑具有重要研究意义；消费电子3D传感、自动驾驶激光雷达等广阔市场未来将带动高温高功率VCSEL激光列阵技术的发展，为高温VCSEL带来巨大的市场价值。

该文章的第一作者是长春光机所张建伟教授，通讯作者是宁永强教授。长春光机所半导体激光器研发团队在王立军院士、宁永强教授的领导下，从2002年至今在高性能VCSEL芯片研发和产业化方面成果斐然：团队曾于2004年在国际上首次报道了输出功率达到1瓦以上的VCSEL芯片；2010年报道了在衬底表面集成微透镜的低发散角VCSEL芯片；2011年报道了脉冲输出功率92瓦的980nm VCSEL芯片；2014年报道脉冲输出功率数百瓦的高功率VCSEL芯片和模组；2018年报道了面向激光雷达应用的905nm百瓦级高功率VCSEL芯片；2022年报道了量子陀螺专用芯片国际领先的研究成果以及在人眼安全波段VCSEL方面的成果。

张建伟, 宁永强, 张星, 周寅利, 陈超, 吴昊, 秦莉, 王立军. 高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来（特邀）[J]. 光子学报, 2022, 51(02): 11-30.