在激光技术的发展历程中，如何实现高亮度、高稳定性的光束输出一直是科研人员不懈探索的目标。近日，美国伊利诺伊大学香槟分校的研究团队在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》上发表的一项研究，为这一领域带来了突破性进展。他们开发的弱反导双腔光子晶体垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列^[1]，通过创新性的结构设计和电流耦合机制，实现了超模式激光发射的大幅稳定性提升，为高亮度光应用开辟了新路径。

激光的“亮度”并非简单指光的强弱，而是衡量其在单一光学模式（尤其是基模）中集中能量的能力。对于半导体激光二极管而言，多模激射现象使其亮度往往逊色于光纤激光器。传统提升亮度的方法要么扩大激活体积以抑制高阶模，要么通过光谱合成多个单模激光束。而当激光器通过光学耦合连接时，一种全新的“超模”应运而生——其波函数分布在多个腔体内，成为实现高亮度的关键控制对象^[2]。

研究团队此次开发的940nm双腔光子晶体VCSEL阵列，突破性地实现了“弱反导”设计。与传统强限制结构不同，这种设计通过降低光学耦合腔之间的电阻，巧妙利用了腔间电流的“串扰效应”。实验表明，这种设计不仅能在扩展的相干区域内实现同相（远场轴上出现主瓣）和异相（远场轴上出现零值）两种超模的稳定运行，还能在连续波操作下使任一超模的输出功率超过4mW。

该阵列940nm顶部发射的VCSEL外延层采用AlAs/AlGaAs分布式布拉格反射镜，无需氧化物孔径，顶部输出镜为17个周期结构。光学限制由刻蚀在顶部反射镜上的光子晶体图案提供，腔体由光子晶体图案中缺失的孔定义，如图1所示，这种“缺陷”设计恰是光学耦合的关键。

图1双腔离子注入六边形光子晶体刻蚀后的光学图像

电约束则通过离子注入实现，其在空间上限定了双增益区。器件左右两侧设置独立电接触，可分别控制注入每个腔体的电流。光子晶体图案中删除两个孔以创建反导光学耦合腔，孔间距和直径经过精确设计（4μm周期、2.4μm直径孔），分隔双腔的孔直径减小以促进耦合，其简易示意图如图2所示。

图2电约束的简化示意图

通过自动化数据采集系统独立扫描两个注入电流，研究团队对双元件光子晶体VCSEL阵列的连续波光输出功率和远场光束分布进行了表征。如图3所示的三维光输出表面图清晰显示，与以往相干双VCSEL阵列不同，新阵列在对角线方向出现两条大致平行的“功率脊”，分别对应同相和异相超模式的工作区域。

图3三维光输出表面图

远场光束分布测量进一步验证了超模式的独特性。图3中，A、B、C点对应异相超模（分裂瓣），D、E、F点对应同相超模（中央瓣），不同的远场可见度源于各超模式相对强度的差异。这种非简并超模的存在产生了光子-光子共振，不仅可测量，还为增强数字调制提供了可能^[3]。

为探究相干工作区域扩展的机制，研究团队聚焦于离子注入隔离区引起的电串扰电流。如图2所示的简化示意图，正向偏压下，注入电流I_left和I_right分别流入各自腔体，遇到串联电阻R_left和R_right，而隔离区的有效电阻R_implant允许部分电流横向扩散，形成串扰电流。通过迭代求解器结合实验测量的腔体电压和电阻提取，研究人员发现串扰电流能有效降低阈值并拓宽支持相干超模运行的电流范围。图4中，归一化串扰电流的方向和大小与稳定超模区域叠加显示：左到右的箭头表示电流从左腔流向右腔，反之亦然，而颜色深浅反映电流强度——这直接印证了串扰电流对超模稳定性的增强作用。

图4同相和异相超模的工作区域与注入电流的关系

（一）超模稳定性

“峰值比”作为衡量双腔VCSEL阵列相干度和超模主导性的关键指标，其定义为远场强度分布傅里叶变换后旁瓣峰值与中心峰值的比值。图5显示，峰值比小于0.1对应高斯模式，大于0.3对应超模发射。与先前设计相比，新阵列的峰值比曲线清晰表明其相干区域更宽、更明显，实现了从单腔高斯模式到相干超模的平滑过渡。

图5根据远场强度分布计算峰值比

（二）功率与效率的双重提升

图4展示了两种超模的输出功率随总电流的变化曲线：蓝色为同相超模，绿色为异相超模，两者均实现了高达4mW的输出功率且边模抑制比优异。值得注意的是，相干超模的激光阈值低于单腔模式，这源于其固有的低模增益需求，而元件间强烈的电流耦合进一步强化了这一特性。

（三）高亮度应用的广阔前景

弱反导设计带来的操作灵活性——即在宽电流组合范围内支持稳定超模运行的能力，使该VCSEL阵列在多种高亮度应用中展现出独特优势。在低电流或非对称注入条件下实现稳定激光发射的特性，使其成为数据中心高密度芯片间互连、医疗环境光学传感器，甚至神经形态计算系统的理想候选者。与传统方法相比，该技术无需复杂的外部相位锁定系统，通过集成设计实现了光束控制，为光子芯片的大规模生产提供了可行性。此外，硅基平台的潜在兼容性（尽管当前研究基于III-V族材料）也为未来电光集成开辟了道路。

这项研究不仅展示了弱反导双腔光子晶体VCSEL阵列在扩展相干超模区域方面的优势，更揭示了串扰电流在增强稳定性和可调性中的核心作用。与强限制设计相比，该方法克服了传统VCSEL阵列相干区域狭窄的挑战，结合低功率调制能力，为高亮度光应用提供了坚实的技术基础。

未来研究可聚焦于以下方向：

• 进一步优化镜面蚀刻工艺并引入高反射涂层以提升激光性能；

• 通过量子阱结构设计将发射波长拓展至1300nm；

• 探索与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的集成，解决高温工艺对芯片组件的潜在损害问题。

参考：

[1]Pflug D W, Armstrong C, Raftery E, et al. Enhanced Supermode Stability in Weakly Anti-Guided Dual-Cavity Photonic Crystal VCSEL Arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2025. 

[2]Jahan N, Choquette K D. Supermode analysis and characterization of triangular vertical cavity surface emitting laser diode arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2023, 15(4): 1-7.

[3]Fryslie S T M, Gao Z, Dave H, et al. Modulation of coherently coupled phased photonic crystal vertical cavity laser arrays[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, 23(6): 1-9.

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