深圳市华体会电子数控设备有限公司

    垂直腔面发射激光器（VCSEL）依附低功耗、高调制带宽、小尺寸、优良的可扩大性以和与单片集成的兼容性，已经成为进步前辈集成光子器件与体系的焦点平台。最近几年来，跟着人工智能、年夜容量光通讯、生物传感等范畴的快速成长，VCSEL的技能演进不停冲破界限，其成长标的目的也逐渐聚焦在满意更繁杂场景的需求。

基在最新研究结果，从波长拓展、机能优化、集成技能、新型布局开发和运用驱动立异五个维度，剖析VCSEL的技能成长趋向。

1、波长规模的冲破：从长波拓展到紫外笼罩

VCSEL的波长笼罩规模是决议其运用场景的要害因素。当前主流的GaAs基VCSEL重要集中于850-980nm波段，已经广泛运用在数据中央光互联及3D传感，但于长波长（1.3-2.3 m）及紫外（ 400nm）波段仍存于技能瓶颈，这也是将来成长的焦点标的目的之一。

于长波长范畴，1.3 m及1550nm波段的VCSEL对于硅光子学集成、长间隔数据通讯及气体传感至关主要。传统InP基VCSEL因异质外延漫衍式布拉格反射镜（DBR）的晶格掉配问题，难以实现高机能器件。最新研究经由过程光子纳米布局设计，如电化学多孔化形成的纳米多孔InP层，构建了高折射率对于比度（近1.0）的同质外延DBR，乐成实现了1380nm及1550nm波长的VCSEL，为硅光子学集成提供了抱负光源。将来需进一步降低成本、晋升量产能力，鞭策其于远程通讯及量子技能中的运用。

紫外VCSEL则于消毒、ytterbium离子原子钟、3D激光纳米打印等范畴具备不成替换的潜力。今朝，光泵浦的紫外B（280-320nm）及紫外C（200-280nm）VCSEL已经被实现，但电泵浦器件仍面对三年夜挑战：紫外波段高增益有源层生长、低损耗微腔制备以和高效电流注入机制。解决这些问题需要冲破质料生长技能（如AlGaN外延质量晋升）及器件布局立异（如新型DBR设计），将来5-10年有望实现电泵浦紫外VCSEL的实用化。

2、机能指标的极致寻求：带宽、效率与不变性的周全晋升

VCSEL的机能优化始终缭绕调制带宽、功率转换效率及温度不变性三年夜焦点指标睁开，以满意高速数据传输、低功耗装备及极度情况运用的需求。

调制带宽方面，当前VCSEL的调制速度已经达45GHz，经由过程多横向耦合腔（MTCC）布局设计，理论上可冲破100GHz。要害技能包括：增长量子阱应变以提高微分增益、减小光子寿命及有源区体积、降低寄生电容。例如，采用中央腔耦合的MTCC布局，经由过程慢光光学反馈延伸调制带宽，为超高速光通讯（如1.6Tb/s短间隔传输）奠基基础。将来需进一步优化 epitaxial布局及工艺，鞭策带宽向100GHz以上迈进。

功率转换效率是低功耗运用的焦点。15结VCSEL已经实现74%的功率转换效率，单模输出功率达28.4mW，为LiDAR等年夜功率场景提供了可能。经由过程引入抗反射光 reservoir布局，可有用降低多结VCSEL的光束发散角（至8.0 ），晋升能量使用率。同时，低能耗特征（如 100fJ/bit的能量-数据比）使其于AI计较中央等场景中具有显著上风，将来需于连结高效率的同时，进一步晋升输出功率不变性。

温度不变性方面，VCSEL的发射波长随温度变化极小，且单纵模事情特征使其于宽温域（如-40℃至100℃）下体现优秀。比拟边发射激光器（EEL），VCSEL的阈值电流温度敏感性更低，这使其于汽车LiDAR、工业传感等高温情况中更靠得住。将来经由过程优化氧化层设计及热治理布局，可进一步拓宽其不变事情的温度规模，满意更极度场景的需求。

3、集成技能的深化：从单器件到多功效体系

VCSEL的焦点上风于在其与微纳光学布局的高度集成能力，将来集成技能将向 多功效化、高密度化、3D重叠 标的目的成长，鞭策集成光子体系的机能跃升。

超外貌集成是实现多功效调控的要害。超外貌由二维纳米天线阵列组成，可同时操控光的相位、偏振及振幅，与VCSEL联合后，能实现涡旋光束发射、全息成像、偏振节制等繁杂功效。例如，于VCSEL外貌集成螺旋相位板（SPP），可天生拓扑荷l=15的涡旋光束，冲破传统器件的空间带宽限定；经由过程琼斯矩阵超外貌，可实现圆偏振分束及双通道全息投影，显著晋升光通讯的信息容量。将来需解决超外貌的年夜范围量产问题，开发兼容CMOS工艺的制造技能，降低集成成本。

3D垂直重叠集成是晋升体系密度的焦点路径。VCSEL的垂直出光特征使其自然合适3D重叠，经由过程与微透镜、衍射光学元件（DOE）、光探测器等的单片集成，可构建超紧凑体系。例如，集成VCSEL、PIN探测器及滤波器的生物传感器，尺寸仅为100 m级，实现了卵白质的高敏捷度检测（尿样检测限0.023g/L）。将来需冲破层间光学串扰及热治理难题，鞭策多芯片异质集成，为便携式医疗装备、可穿着传感器提供焦点硬件。

相关阵列集成是满意年夜范围并行运用的基础。可寻址的2D相关VCSEL阵列已经被用在光子神经收集，经由过程光学注入锁相实现相位节制，完成矩阵乘法等运算，算力达6TeraOP/(妹妹 s)。将来需开发更年夜范围（如100 100）的相关阵列，解决寻址电路设计（如违发射VCSEL倒装焊技能）及散热问题（如微流道冷却），为光计较、年夜范围光互联提供支撑。

4、新型布局与质料的立异：拓展功效界限

新型布局设计及质料系统的引入，是VCSEL冲破机能极限、拓展功效的要害，最近几年来于多结布局、钙钛矿质料、拓扑绝缘体等范畴取患了冲破性进展。

多结VCSEL经由过程重叠多个有源区，年夜幅晋升输出功率及效率。15结VCSEL的功率转换效率达74%，且经由过程抗反射布局设计，解决了多结器件光束发散问题，使其于LiDAR、固态照明等范畴极具竞争力。将来可摸索更多结数（如20结以上）的设计，同时优化地道结机能，降低串联电阻。

钙钛矿质料为低成本VCSEL提供了新路径。钙钛矿量子点具备溶液可加工性及宽波段可调谐特征，基在CsPbBr3的钙钛矿VCSEL已经实现低阈值激射。但电泵浦器件仍面对DBR单晶外延及电流注入难题，将来需开发兼容钙钛矿的DBR布局（如氧化物/半导体混淆DBR），鞭策其于可见光通讯、低成本传感中的运用。

拓扑绝缘体VCSEL阵列则为高相关性光源提供了新方案。拓扑掩护特征使其具有抗缺陷滋扰能力，光学泵浦的拓扑绝缘体VCSEL阵列已经实现高光谱匀称性，于量子通讯、周详丈量中远景广漠。今朝电泵浦器件仍处在起步阶段，需设计同时满意载流子注入及模式限定的拓扑布局，冲破室温不变事情的瓶颈。

5、运用驱动的技能迭代：聚焦焦点场景需求

VCSEL的技能成长始终由运用需求牵引，于人工智能、光通讯、生物传感等焦点范畴，其技能演进出现出光鲜的场景定制化特性。

于人工智能范畴，VCSEL-based光子神经收集（PNN）是冲破冯 诺依曼架构算力瓶颈的要害。基在5 5相关VCSEL阵列的深度神经收集，实现了93.1%的手写数字辨认正确率，能耗仅7fJ/OP，较电子硬件晋升20倍。将来需开发年夜范围相关阵列（如1000 1000）及高速调制技能，支撑百亿参数级光计较模子，满意年夜模子练习需求。

于年夜容量光通讯范畴，涡旋光束复用是晋升带宽的主要标的目的。VCSEL集成超外貌可天生多通道涡旋光束（l=15），联合其11GHz的调制带宽，有望实现Tb级单纤传输。需解决涡旋光束于光纤中传输的模式畸变问题，鞭策其于数据中央、城域网中的运用。

于生物与原子传感范畴，VCSEL的小型化及高不变性使其成为抱负光源。集成VCSEL的生物传感器实现了尿样中卵白质的及时检测，精度媲美临床检测装备；基在895nm VCSEL的微型原子钟，体积仅15 15 13妹妹 ，频率不变性达2 10 /天，为导航、量子传感提供了焦点器件。将来需进一步晋升敏捷度（如原子磁强计的30fT/Hz / ）及降低功耗，鞭策其于可穿着医疗、主动驾驶中的普和。

总结：

VCSEL作为集成光子学的焦点平台，其技能成长正朝着 全波段笼罩、高机能极致、高密度集成、多功效拓展 的标的目的迈进。从长波长到紫外的波长冲破，从百GHz带到74%效率的机能跃升，从单器件到3D体系的集成深化，VCSEL正慢慢解锁于AI、光通讯、传感等范畴的潜力。将来，跟着新质料、新布局、新工艺的连续立异，VCSEL将成为鞭策下一代光电子体系向高效、紧凑、智能演进的焦点引擎，为人类社会的技能厘革提供坚实的硬件支撑。

参考资料：Pan et al. Light: Science Applications (2024) 13:229 Harnessing the capabilities of VCSELs unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems

转自：小小光08

注：文章版权归原作者所有，本文内容、图片、视频来自收集，仅供交流进修之用，如触及版权等问题，请您奉告，咱们将和时处置惩罚。

-华体会