半導體激光器的光學模式分布及遠場發散角是衡量激光輸出質量的重要參數，在器件設計、光學系統搭建及光束耦合等方面具有重要的參考價值。近期，天津賽米卡爾科技有限公司的技術團隊基于先進的TCAD仿真設計平臺開發出了半導體激光器的光學模型數據庫，并針對GaN基垂直腔面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）的光學性能進行了系統的研究與優化。如圖1所示，研究結果發現：具有反相層表面浮雕（Anti-phase Surface Relief）結構的布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflection，DBR）設計能夠有效地提高GaN基VCSEL的基模輸出特性，并減小光束的發散角。

圖1.（a）VCSEL R和A1至A3的激光輸出功率對比圖；（b）至（e）分別為VCSEL A1至A3以及VCSEL R的器件內部光場分布

然而，具有表面浮雕結構的DBR同時會導致器件的輸出功率下降。為解決該問題，我司技術團隊提出通過調控空穴的注入路徑來控制不同模式的增益，最終提升GaN基VCSEL的基模輸出功率。如圖2所示，當減小GaN基VCSEL的電流注入的孔徑尺寸時，VCSEL B2依然能夠保持高斯形態的單模激光輸出。此外，VCSEL B2有源區內的增益覆蓋范圍與基模分布重疊率上升，與表面浮雕結構所在范圍的重疊率下降，器件基模增益上升，激光器輸出功率相應提高。

圖2. VCSEL B1至B3以及VCSEL A2的（a）一維橫向光場分布，（b）遠場發散角和（c）光輸出功率對比圖

該成果最近被應用物理領域權威SCI期刊Japanese Journal of Applied Physics收錄（Vol.62, Art. No.014003,2023, DOI: 10.35848/1347-4065/acaba0）

審核編輯黃宇