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

據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發光學及應用國家重點實驗室***院士團隊受邀在《光子學報（Acta Photonica Sinica）》發表封面綜述文章：《高溫工作垂直腔面發射半導體激光器現狀與未來（特邀）》。本文首先介紹VCSEL溫度特性，分析高溫環境下VCSEL主要優勢——波長穩定性與高溫低功耗特點的理論原因；然后介紹量子精密測量、數據中心應用典型的高溫VCSEL發展現狀；最后對高溫工作VCSEL未來的發展方向及潛在應用領域做簡要分析。

激光器的工作波長由其腔內振蕩結構決定，因而VCSEL的工作波長由激光器兩側的DBR反射鏡結構，以及中心的發光區材料層結構決定。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/℃，比常規的高功率邊發射激光器的波長漂移速度（0.3 nm/℃）低一個數量級。在高溫環境下對波長敏感的原子傳感等探測測量應用中，VCSEL具有很明顯的應用優勢。

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。常規的邊發射半導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光區材料的增益變化趨勢一致。對于VCSEL，雖然發光區材料的增益在高溫下會出現衰減，然而整個器件的閾值、功率等特性卻不一定會隨之衰減，這是因為VCSEL的出光波長是由DBR反射鏡及發光區共同組成的振蕩腔結構決定的。由于VCSEL出光波長隨溫度漂移較慢（0.06 nm/℃），而發光區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行調整。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射激光器獲得更高的光增益，但是可以通過腔模設計實現對模式增益變化趨勢的調控以抑制增益快速衰減的趨勢，在高溫下獲得穩定的增益水平。

增益峰—腔模失配型VCSEL增益譜與腔模隨工作溫度變化關系

通過增益—腔模失配設計，可以實現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、功率等參數也將在高溫下有著比較好的表現。VCSEL的功耗水平、波長、功率、效率等關鍵參數在不同工作溫度下發生很小的波動，這對VCSEL在量子精密測量等對功耗比較敏感的領域得到應用具有重要意義。

量子精密測量技術是采用原子的量子效應實現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、量子磁強計與量子陀螺儀。量子精密測量技術需要實現芯片級的尺寸，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進行芯片級的相干布居俘獲（CPT）原子鐘原理驗證的結果，其結構如下圖所示，由此開啟了采用VCSEL開發量子精密測量裝置的研究領域。VCSEL作為量子精密測量系統的核心光源，主要用于系統內部高溫原子氣體的激活、檢測等功能。量子精密測量技術要求VCSEL在高溫環境下必須具備低功耗、窄線寬、單模、單偏振等高性能指標，是VCSEL領域的頂尖技術。本文對量子精密測量堿金屬原子泵浦高溫VCSEL進行分析，并對其國內外發展歷程與進展現狀進行了介紹。

芯片原子鐘典型物理結構

國際上美國Sandia實驗室，德國ULM大學及俄羅斯Ioffe研究所等單位是該領域的優勢研究單位。中科院長春光機所***院士團隊在國內率先布局量子精密測量高溫VCSEL方向，代表該領域國內最高研究水平。團隊寧永強、張建偉、張星、周寅利等人陸續提出增益腔模失配設計方法、高階光柵偏振控制方法、微納浮雕模式調控方法等一系列創新性研究方法，經過近十年研究，實現芯片原子鐘專用VCSEL達到國際同等水平，為我國量子精密測量技術發展以及在未來國際競爭中占據優勢奠定了堅實基礎。

數據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遠超出想象，已經無法脫離數據中心。未來隨著5G時代的到來，實現萬物互聯將會對數據中心的數據處理量帶來數量級的提升，隨之而來的是數據中心帶來的巨大能耗需求。因而僅僅依靠采用改善散熱環境來降低能耗的方法不可持續，提高數據中心內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是數據中心短距離光互聯通信的核心光源。近年來，980 nm VCSEL的高速特性及低功耗特性受到人們廣泛關注，尤其是柏林工業大學，針對數據中心應用需求提出了“綠色光子學”概念，在高溫高速低功耗VCSEL研究中做了大量研究工作。本文分析了數據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發展歷程進行了介紹。美國伊利諾伊大學，瑞典查爾姆斯理工大學，德國柏林工業大學以及我國臺灣國立交通大學等長期研究高溫高速VCSEL，從VCSEL器件結構、制備公司到封裝方式開展優化，報道了一系列較好結果。柏林工業大學針對數據中心應用需求提出了“綠色光子學”概念，在高溫高速低功耗980nm VCSEL研究中做了大量研究工作；VIS公司采用量子點發光區結構實現了VCSEL高達180℃的高速調制。

用于光互連的980 nm高速VCSEL的橫截面示意

VCSEL在體積、功耗、光束質量等特性方面具有無可比擬的獨特優勢，在其誕生四十余年間，不斷推動著傳感、通信等領域關鍵核心系統向著低功耗與小型化方向發展。量子精密測量技術是未來頂尖的精密傳感技術，數據中心是人類信息化發展的基礎，兩者均對VCSEL的高溫工作能力提出了迫切需求。傳感與通信技術的進步對信息社會發展影響深遠。作為這兩大領域的核心元器件，新的高溫工作VCSEL技術無疑具有重要研究意義；消費電子3D傳感、自動駕駛激光雷達等廣闊市場未來將帶動高溫高功率VCSEL激光列陣技術的發展，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所張建偉教授，通訊作者是寧永強教授。長春光機所半導體激光器研發團隊在***院士、寧永強教授的領導下，從2002年至今在高性能VCSEL芯片研發和產業化方面成果斐然：團隊曾于2004年在國際上首次報道了輸出功率達到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百瓦的高功率VCSEL芯片和模組；2018年報道了面向激光雷達應用的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