垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）具有可調(diào)控的光斑形貌、易于二維集成、窄光譜寬度、尺寸小等獨(dú)特優(yōu)勢，尤其是VCSEL具有較高的波長溫度穩(wěn)定性與無腔面損傷特性，在工作溫度要求苛刻的高溫環(huán)境下具有極為優(yōu)秀的工作表現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室***院士團(tuán)隊(duì)受邀在《光子學(xué)報（Acta Photonica Sinica）》發(fā)表封面綜述文章：《高溫工作垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器現(xiàn)狀與未來（特邀）》。本文首先介紹VCSEL溫度特性，分析高溫環(huán)境下VCSEL主要優(yōu)勢——波長穩(wěn)定性與高溫低功耗特點(diǎn)的理論原因；然后介紹量子精密測量、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用典型的高溫VCSEL發(fā)展現(xiàn)狀；最后對高溫工作VCSEL未來的發(fā)展方向及潛在應(yīng)用領(lǐng)域做簡要分析。

激光器的工作波長由其腔內(nèi)振蕩結(jié)構(gòu)決定，因而VCSEL的工作波長由激光器兩側(cè)的DBR反射鏡結(jié)構(gòu)，以及中心的發(fā)光區(qū)材料層結(jié)構(gòu)決定。由下圖可以看出，多層的DBR材料對形成了寬的反射譜；反射譜的中心波長位置出現(xiàn)明顯的凹陷，稱之為腔模位置，在該位置如果僅有DBR的話，則會是整個反射譜反射率最高處。隨著工作溫度的增加，DBR的反射譜整體向著長波方向漂移，同時腔模位置向著長波方向漂移，但是整個反射譜的形狀與反射率幾乎沒有變化。DBR反射鏡的中心波長隨溫度的漂移速率大約為0.06 nm/℃，比常規(guī)的高功率邊發(fā)射激光器的波長漂移速度（0.3 nm/℃）低一個數(shù)量級。在高溫環(huán)境下對波長敏感的原子傳感等探測測量應(yīng)用中，VCSEL具有很明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

20對GaAs/AlAs組成的DBR反射鏡在不同溫度下的反射譜

激光器的模式增益，是指激光器出光波長位置可以獲取的材料增益。常規(guī)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器出光波長由量子阱的增益峰位置決定，其模式增益基本與發(fā)光區(qū)材料的增益變化趨勢一致。對于VCSEL，雖然發(fā)光區(qū)材料的增益在高溫下會出現(xiàn)衰減，然而整個器件的閾值、功率等特性卻不一定會隨之衰減，這是因?yàn)閂CSEL的出光波長是由DBR反射鏡及發(fā)光區(qū)共同組成的振蕩腔結(jié)構(gòu)決定的。由于VCSEL出光波長隨溫度漂移較慢（0.06 nm/℃），而發(fā)光區(qū)的增益峰隨溫度漂移較快（約為0.3 nm/℃），因此VCSEL的增益水平可以通過增益譜與腔模的相對位置來進(jìn)行調(diào)整。下圖為典型的工作溫度變化引起的VCSEL增益譜與腔模相對位置變化情況。VCSEL在高溫下并不會比邊發(fā)射激光器獲得更高的光增益，但是可以通過腔模設(shè)計實(shí)現(xiàn)對模式增益變化趨勢的調(diào)控以抑制增益快速衰減的趨勢，在高溫下獲得穩(wěn)定的增益水平。

增益峰—腔模失配型VCSEL增益譜與腔模隨工作溫度變化關(guān)系

通過增益—腔模失配設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)VCSEL在高溫下的閾值電流特性與室溫下類似。同時，VCSEL的斜率效率、功率等參數(shù)也將在高溫下有著比較好的表現(xiàn)。VCSEL的功耗水平、波長、功率、效率等關(guān)鍵參數(shù)在不同工作溫度下發(fā)生很小的波動，這對VCSEL在量子精密測量等對功耗比較敏感的領(lǐng)域得到應(yīng)用具有重要意義。

量子精密測量技術(shù)是采用原子的量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對基本物理量如時間、磁場和角速度的測量，目前已有的量子精密測量裝置包括芯片原子鐘、量子磁強(qiáng)計與量子陀螺儀。量子精密測量技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)芯片級的尺寸，則必須采用低功耗、可貼片式集成的激光光源。同時，為保證原子氣室內(nèi)的原子有足夠高的活性，整個物理核心部分需要加熱至高溫環(huán)境，由于激光光源距離原子氣室非常近，因而核心的激光光源必須在高溫下長期工作。2000年，美國NIST的KITCHING J等報道采用VCSEL進(jìn)行芯片級的相干布居俘獲（CPT）原子鐘原理驗(yàn)證的結(jié)果，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，由此開啟了采用VCSEL開發(fā)量子精密測量裝置的研究領(lǐng)域。VCSEL作為量子精密測量系統(tǒng)的核心光源，主要用于系統(tǒng)內(nèi)部高溫原子氣體的激活、檢測等功能。量子精密測量技術(shù)要求VCSEL在高溫環(huán)境下必須具備低功耗、窄線寬、單模、單偏振等高性能指標(biāo)，是VCSEL領(lǐng)域的頂尖技術(shù)。本文對量子精密測量堿金屬原子泵浦高溫VCSEL進(jìn)行分析，并對其國內(nèi)外發(fā)展歷程與進(jìn)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

芯片原子鐘典型物理結(jié)構(gòu)

國際上美國Sandia實(shí)驗(yàn)室，德國ULM大學(xué)及俄羅斯Ioffe研究所等單位是該領(lǐng)域的優(yōu)勢研究單位。中科院長春光機(jī)所***院士團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先布局量子精密測量高溫VCSEL方向，代表該領(lǐng)域國內(nèi)最高研究水平。團(tuán)隊(duì)寧永強(qiáng)、張建偉、張星、周寅利等人陸續(xù)提出增益腔模失配設(shè)計方法、高階光柵偏振控制方法、微納浮雕模式調(diào)控方法等一系列創(chuàng)新性研究方法，經(jīng)過近十年研究，實(shí)現(xiàn)芯片原子鐘專用VCSEL達(dá)到國際同等水平，為我國量子精密測量技術(shù)發(fā)展以及在未來國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)中心是人類信息化社會的象征，目前人類對信息通信的依賴程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出想象，已經(jīng)無法脫離數(shù)據(jù)中心。未來隨著5G時代的到來，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)將會對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理量帶來數(shù)量級的提升，隨之而來的是數(shù)據(jù)中心帶來的巨大能耗需求。因而僅僅依靠采用改善散熱環(huán)境來降低能耗的方法不可持續(xù)，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)部元器件可耐受的高溫工作溫度不失為另一個良好的解決辦法。VCSEL是數(shù)據(jù)中心短距離光互聯(lián)通信的核心光源。近年來，980 nm VCSEL的高速特性及低功耗特性受到人們廣泛關(guān)注，尤其是柏林工業(yè)大學(xué)，針對數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求提出了“綠色光子學(xué)”概念，在高溫高速低功耗VCSEL研究中做了大量研究工作。本文分析了數(shù)據(jù)中心能耗問題帶來的高溫高速VCSEL需求，并對850 nm與980 nm兩個波段的高溫高速VCSEL發(fā)展歷程進(jìn)行了介紹。美國伊利諾伊大學(xué)，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)，德國柏林工業(yè)大學(xué)以及我國臺灣國立交通大學(xué)等長期研究高溫高速VCSEL，從VCSEL器件結(jié)構(gòu)、制備公司到封裝方式開展優(yōu)化，報道了一系列較好結(jié)果。柏林工業(yè)大學(xué)針對數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求提出了“綠色光子學(xué)”概念，在高溫高速低功耗980nm VCSEL研究中做了大量研究工作；VIS公司采用量子點(diǎn)發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了VCSEL高達(dá)180℃的高速調(diào)制。

用于光互連的980 nm高速VCSEL的橫截面示意

VCSEL在體積、功耗、光束質(zhì)量等特性方面具有無可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，在其誕生四十余年間，不斷推動著傳感、通信等領(lǐng)域關(guān)鍵核心系統(tǒng)向著低功耗與小型化方向發(fā)展。量子精密測量技術(shù)是未來頂尖的精密傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)中心是人類信息化發(fā)展的基礎(chǔ)，兩者均對VCSEL的高溫工作能力提出了迫切需求。傳感與通信技術(shù)的進(jìn)步對信息社會發(fā)展影響深遠(yuǎn)。作為這兩大領(lǐng)域的核心元器件，新的高溫工作VCSEL技術(shù)無疑具有重要研究意義；消費(fèi)電子3D傳感、自動駕駛激光雷達(dá)等廣闊市場未來將帶動高溫高功率VCSEL激光列陣技術(shù)的發(fā)展，為高溫VCSEL帶來巨大的市場價值。

該文章的第一作者是長春光機(jī)所張建偉教授，通訊作者是寧永強(qiáng)教授。長春光機(jī)所半導(dǎo)體激光器研發(fā)團(tuán)隊(duì)在***院士、寧永強(qiáng)教授的領(lǐng)導(dǎo)下，從2002年至今在高性能VCSEL芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面成果斐然：團(tuán)隊(duì)曾于2004年在國際上首次報道了輸出功率達(dá)到1瓦以上的VCSEL芯片；2010年報道了在襯底表面集成微透鏡的低發(fā)散角VCSEL芯片；2011年報道了脈沖輸出功率92瓦的980nm VCSEL芯片；2014年報道脈沖輸出功率數(shù)百瓦的高功率VCSEL芯片和模組；2018年報道了面向激光雷達(dá)應(yīng)用的905nm百瓦級高功率VCSEL芯片；2022年報道了量子陀螺專用芯片國際領(lǐng)先的研究成果以及在人眼安全波段VCSEL方面的成果。

審核編輯 ：李倩