通过腔体几何设计重塑VCSEL光束：突破对称限制实现高性能光电应用

为解决垂直腔面发射激光器（VCSEL）在高功率应用中的增益利用率低、空间相干性高及偏振不稳定等问题，研究人员通过系统研究五种腔体几何形状（圆形、方形、D形、蘑菇形和五边形）对VCSEL性能的影响。研究发现非对称腔体设计可显著提高光功率密度（五边形VCSEL达2867 mW/cm2，比圆形提高103%）、降低空间相干性（五边形VCSEL散斑对比度降至0.15）并调控偏振动力学。该研究为定制化VCSEL设计提供了重要指导，在高速通信、无散斑成像和光学传感等领域具有广泛应用价值。

　　

在现代光电子系统中，垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSELs）已成为不可或缺的核心技术，驱动着高速光通信、3D传感和激光雷达（LiDAR）等关键应用的发展。尽管VCSEL技术已取得显著进步，但传统圆形腔体设计固有的旋转对称性导致 whispering gallery modes（WGMs）占主导，使光场被限制在腔体边缘区域，中心增益介质利用率低下，严重限制了输出功率的提升。此外，圆形VCSEL还存在模式竞争激烈、偏振不稳定以及空间相干性过高等问题，制约了其在需要高功率、低相干性和稳定偏振输出的应用场景中的性能表现。

为了突破这些限制，来自阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队在《Light: Science & Applications》发表了开创性研究，通过系统设计五种不同的腔体几何形状（圆形、方形、D形、蘑菇形和五边形），深入探究了腔体几何对VCSEL静态和动态特性的影响。研究团队发现，打破腔体的连续旋转对称性能够有效提高增益利用率、改变多模激光特性、重塑光束分布并调控偏振动力学，为定制化VCSEL设计提供了全新的解决方案。

研究采用商业940 nm VCSEL晶圆，通过标准半导体工艺制备了不同几何形状的器件。关键实验技术包括：1）电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）形成台面结构；2）选择性氧化工艺形成25 μm氧化孔径；3）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备绝缘层；4）金属垫沉积和退火工艺完成器件制作。表征手段涵盖光功率测试、光谱分析、近场/远场成像、空间相干性测量以及偏振分辨测试等多维度性能评估。

光功率特性表征

研究人员首先系统测量了五种几何形状VCSEL的光功率特性。圆形VCSEL（O-VCSEL）表现出最低的光功率输出，最大功率仅为14 mW。方形VCSEL（S-VCSEL）功率有所提升，但仍低于其他非对称设计。D形VCSEL（D-VCSEL）和蘑菇形VCSEL（M-VCSEL）分别实现了显著更高的功率输出，而五边形VCSEL（P-VCSEL）以24.5 mW的峰值功率位居首位，比圆形设计提高了103%。通过分析12个器件的统计数据，五边形VCSEL不仅功率密度最高（2867 mW/cm2），而且表现出最佳的一致性，说明其对工艺变化的不敏感性。

光谱与光束特性

腔体几何形状对VCSEL的多模结构、光束分布和光谱特性产生了深远影响。近场模式（NFP）分析显示，圆形VCSEL的WGM模式主要分布在腔体边缘，中心增益区域利用率低下。而非对称几何（如D形、蘑菇形和五边形）表现出更均匀的模式分布，能够访问更大范围的增益区域。远场模式（FFP）与近场模式的傅里叶变换结果高度一致，五边形VCSEL显示出最强的高频分量，表明其具有最丰富的多模特性。

空间相干性与散斑分析

研究人员通过USA分辨率靶成像实验量化了各VCSEL的空间相干性。圆形和方形VCSEL表现出明显的散斑图案（对比度C=0.26-0.27），而D形、蘑菇形和五边形VCSEL则实现了更清晰的图像，散斑对比度分别降至0.19、0.17和0.15。这种低空间相干性源于多模激光中大量非相干模式的共存，有效抑制了相干噪声。值得注意的是，五边形VCSEL的散斑对比度甚至低于报道的超辐射发光二极管（SLD）值（C=0.2），表明其在无散斑成像应用中具有显著优势。

偏振动力学特性

偏振特性测量显示，几何形状对VCSEL的偏振行为产生了重要影响。D形和蘑菇形VCSEL表现出最高的正交偏振抑制比（OPSR），表明其能够稳定地维持沿晶体优先偏振轴[011]方向的发射。相比之下，五边形和方形VCSEL显示出较低的偏振偏好，允许多种模式和偏振态之间的强耦合和相互作用，产生了丰富的射频（RF）频谱，表明存在混沌或多模激光动力学。这种特性虽然不利于传统需要相干性和稳定性的激光应用，但为超快物理随机数生成和光子储备计算等新兴应用提供了理想的高熵源。

研究结论表明，通过精心设计腔体几何形状，可以显著改善VCSEL的性能特性：五边形设计实现了最高的功率密度和最快的模式动力学，适用于高速熵源应用；蘑菇形设计兼具高功率和低空间相干性，适合无散斑成像和照明；D形设计提供了最稳定的偏振和可控的多模行为，适用于需要稳定低相干光源的应用。这些发现为下一代VCSEL的优化设计提供了重要指导，无需额外制造成本即可满足现代光电子应用多样化需求。

该研究的重要意义在于首次系统比较了多种非对称腔体几何对VCSEL性能的全面影响，建立了腔体设计与光学特性之间的定量关系，为特定应用场景的VCSEL定制化设计提供了实用指南。未来研究可进一步探索主动激光条件下的多物理场仿真，以及混合腔体设计，将不同几何形状的优势特性进行整合，推动VCSEL技术在更广泛领域的应用发展。