高效VCSEL在綠色能源光子學中的應用前景

自問世以來，邊發射激光器(EEL)技術的功率轉換效率(PCE)不斷刷新紀錄，2006年在-50°C溫度下達到85%的歷史最高效率。隨后，在 2007年，EEL 在室溫下也達到了76%的高效率。然而，在隨后的15年里，再也沒有人創造新的效率記錄，這些成就一直是半導體激光器的巔峰。相比之下，垂直腔面發射激光器(VCSEL)的效率提高則較為緩慢。自 2009年報告了62%的最高PCE以來，一直沒有重大突破，凸顯了 VCSEL和EEL之間明顯的性能差距。作為一種微腔激光器，在光子學領域實現高效轉換一直是VCSEL面臨的挑戰。

由于功率和效率較低，VCSEL 的早期應用主要集中在小型、低功率消費電子產品和數據中心的短距離通信領域。近年來，隨著智能技術的發展，低功耗 VCSEL 已成為智能傳感系統的關鍵核心光源芯片，在人臉識別和短距離傳感領域得到了廣泛應用，并取得了顯著成效。

最近，先進人工智能技術的快速發展揭示了 VCSEL 在傳感、通信、原子鐘、光學/量子計算、拓撲激光和醫療診斷等領域的巨大潛力。特別是自動駕駛對遠距離傳感技術的需求、高速數據處理中心對人工智能計算能力的需求以及 VCSEL 在智能和量子技術應用領域的發展，都凸顯了能耗這一核心問題的重要性。

VCSEL 的能效對移動設備和數據中心的能耗有重大影響。因此，開發超高能效 VCSEL 對于支持未來智能時代終端設備的發展至關重要，并在推動綠色能源光子學的發展方面發揮著重要作用。在發表于《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)上發表的一篇新論文中，四川大學電子信息學院及長光華芯的王俊教授研究團隊利用多結級聯有源區技術實現了 VCSEL 效率的突破。

多結級聯垂直腔表面發射激光器的原理

通過采用反向隧道結實現有源區級聯，增益體積得以增加。這種設計策略允許載流子經歷多個受激發射過程，從而不僅提高了器件的微分量子效率，而且保持了較低的閾值電流。因此，近年來，大量研究人員利用多結 VCSEL 實現了指數級功率增長，使 VCSEL 成為自動駕駛汽車激光雷達的可行激光源。然而，多結 VCSEL 最大的潛在優勢應該是其顯著的效率提高。因此，我們結合理論模擬和實驗進行了一項系統研究，以探討多結 VCSEL 在電光轉換效率方面的優勢。

研究小組模擬了多結 VCSEL 的縮放特性，并與單結VCSEL的縮放特性進行了比較。數值模擬表明，在環境溫度條件下，20結VCSEL的電光轉換效率可超過88%。

在實驗中，15結VCSEL在室溫條件下的電光轉換效率達到 74%，斜率效率為15.6W/A，相當于超過1100%的差量子效率。研究人員認為，這一電光轉換效率是迄今為止VCSEL領域報告的最高效率，而這一差分量子效率也是半導體激光器領域報告的最高效率。

半導體激光器的電光轉換效率總結

正如審稿人所說：“這的確是在一個長期停滯不前的領域取得的重大突破。”該研究的作者寫道：“未來，我們還計劃探索和拓展高效率、高功率多結 VCSEL 在通信領域的應用。這項研究不僅為 VCSEL 的進一步優化和應用提供了寶貴的理論和實驗依據，也為高 PCE 半導體激光器的進一步開發和應用提供了有價值的參考。它有望對綠色能源光子學和激光物理學產生重大影響。”

審核編輯 黃宇