垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）憑借低功耗、高調(diào)制帶寬、小尺寸、良好的可擴(kuò)展性以及與單片集成的兼容性，已成為先進(jìn)集成光子器件與系統(tǒng)的核心平臺。近年來，隨著人工智能、大容量光通信、生物傳感等領(lǐng)域的快速發(fā)展，VCSEL的技術(shù)演進(jìn)不斷突破邊界，其發(fā)展方向也逐漸聚焦于滿足更復(fù)雜場景的需求。

基于最新研究成果，從波長拓展、性能優(yōu)化、集成技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)開發(fā)及應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新五個(gè)維度，剖析VCSEL的技術(shù)發(fā)展趨勢。

一、波長范圍的突破：從長波拓展到紫外覆蓋

VCSEL的波長覆蓋范圍是決定其應(yīng)用場景的關(guān)鍵因素。當(dāng)前主流的GaAs基VCSEL主要集中在850-980nm波段，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)和3D傳感，但在長波長（1.3-2.3μm）和紫外（<400nm）波段仍存在技術(shù)瓶頸，這也是未來發(fā)展的核心方向之一。

在長波長領(lǐng)域，1.3μm和1550nm波段的VCSEL對硅光子學(xué)集成、長距離數(shù)據(jù)通信和氣體傳感至關(guān)重要。傳統(tǒng)InP基VCSEL因異質(zhì)外延分布式布拉格反射鏡（DBR）的晶格失配問題，難以實(shí)現(xiàn)高性能器件。最新研究通過光子納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如電化學(xué)多孔化形成的納米多孔InP層，構(gòu)建了高折射率對比度（近1.0）的同質(zhì)外延DBR，成功實(shí)現(xiàn)了1380nm和1550nm波長的VCSEL，為硅光子學(xué)集成提供了理想光源。未來需進(jìn)一步降低成本、提升量產(chǎn)能力，推動其在長途通信和量子技術(shù)中的應(yīng)用。

紫外VCSEL則在消毒、ytterbium離子原子鐘、3D激光納米打印等領(lǐng)域具有不可替代的潛力。目前，光泵浦的紫外B（280-320nm）和紫外C（200-280nm）VCSEL已被實(shí)現(xiàn)，但電泵浦器件仍面臨三大挑戰(zhàn)：紫外波段高增益有源層生長、低損耗微腔制備以及高效電流注入機(jī)制。解決這些問題需要突破材料生長技術(shù)（如AlGaN外延質(zhì)量提升）和器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新（如新型DBR設(shè)計(jì)），未來5-10年有望實(shí)現(xiàn)電泵浦紫外VCSEL的實(shí)用化。

二、性能指標(biāo)的極致追求：帶寬、效率與穩(wěn)定性的全面提升

VCSEL的性能優(yōu)化始終圍繞調(diào)制帶寬、功率轉(zhuǎn)換效率和溫度穩(wěn)定性三大核心指標(biāo)展開，以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸、低功耗設(shè)備和極端環(huán)境應(yīng)用的需求。

調(diào)制帶寬方面，當(dāng)前VCSEL的調(diào)制速率已達(dá)45GHz，通過多橫向耦合腔（MTCC）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論上可突破100GHz。關(guān)鍵技術(shù)包括：增加量子阱應(yīng)變以提高微分增益、減小光子壽命和有源區(qū)體積、降低寄生電容。例如，采用中心腔耦合的MTCC結(jié)構(gòu)，通過慢光光學(xué)反饋延長調(diào)制帶寬，為超高速光通信（如1.6Tb/s短距離傳輸）奠定基礎(chǔ)。未來需進(jìn)一步優(yōu)化 epitaxial結(jié)構(gòu)和工藝，推動帶寬向100GHz以上邁進(jìn)。

功率轉(zhuǎn)換效率是低功耗應(yīng)用的核心。15結(jié)VCSEL已實(shí)現(xiàn)74%的功率轉(zhuǎn)換效率，單模輸出功率達(dá)28.4mW，為LiDAR等大功率場景提供了可能。通過引入抗反射光 reservoir結(jié)構(gòu)，可有效降低多結(jié)VCSEL的光束發(fā)散角（至8.0°），提升能量利用率。同時(shí)，低能耗特性（如<100fJ/bit的能量-數(shù)據(jù)比）使其在AI計(jì)算中心等場景中具備顯著優(yōu)勢，未來需在保持高效率的同時(shí)，進(jìn)一步提升輸出功率穩(wěn)定性。

溫度穩(wěn)定性方面，VCSEL的發(fā)射波長隨溫度變化極小，且單縱模工作特性使其在寬溫域（如-40℃至100℃）下表現(xiàn)優(yōu)異。相比邊發(fā)射激光器（EEL），VCSEL的閾值電流溫度敏感性更低，這使其在汽車LiDAR、工業(yè)傳感等高溫環(huán)境中更可靠。未來通過優(yōu)化氧化層設(shè)計(jì)和熱管理結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步拓寬其穩(wěn)定工作的溫度范圍，滿足更極端場景的需求。

三、集成技術(shù)的深化：從單器件到多功能系統(tǒng)

VCSEL的核心優(yōu)勢在于其與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的高度集成能力，未來集成技術(shù)將向“多功能化、高密度化、3D堆疊”方向發(fā)展，推動集成光子系統(tǒng)的性能躍升。

超表面集成是實(shí)現(xiàn)多功能調(diào)控的關(guān)鍵。超表面由二維納米天線陣列構(gòu)成，可同時(shí)操控光的相位、偏振和振幅，與VCSEL結(jié)合后，能實(shí)現(xiàn)渦旋光束發(fā)射、全息成像、偏振控制等復(fù)雜功能。例如，在VCSEL表面集成螺旋相位板（SPP），可生成拓?fù)浜蒷=15的渦旋光束，突破傳統(tǒng)器件的空間帶寬限制；通過瓊斯矩陣超表面，可實(shí)現(xiàn)圓偏振分束和雙通道全息投影，顯著提升光通信的信息容量。未來需解決超表面的大規(guī)模量產(chǎn)問題，開發(fā)兼容CMOS工藝的制造技術(shù)，降低集成成本。

3D垂直堆疊集成是提升系統(tǒng)密度的核心路徑。VCSEL的垂直出光特性使其天然適合3D堆疊，通過與微透鏡、衍射光學(xué)元件（DOE）、光探測器等的單片集成，可構(gòu)建超緊湊系統(tǒng)。例如，集成VCSEL、PIN探測器和濾波器的生物傳感器，尺寸僅為100μm級，實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的高靈敏度檢測（尿樣檢測限0.023g/L）。未來需突破層間光學(xué)串?dāng)_和熱管理難題，推動多芯片異質(zhì)集成，為便攜式醫(yī)療設(shè)備、可穿戴傳感器提供核心硬件。

相干陣列集成是滿足大規(guī)模并行應(yīng)用的基礎(chǔ)�？蓪ぶ返�2D相干VCSEL陣列已被用于光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過光學(xué)注入鎖相實(shí)現(xiàn)相位控制，完成矩陣乘法等運(yùn)算，算力達(dá)6TeraOP/(mm²·s)。未來需開發(fā)更大規(guī)模（如100×100）的相干陣列，解決尋址電路設(shè)計(jì)（如背發(fā)射VCSEL倒裝焊技術(shù)）和散熱問題（如微流道冷卻），為光計(jì)算、大規(guī)模光互聯(lián)提供支撐。

四、新型結(jié)構(gòu)與材料的創(chuàng)新：拓展功能邊界

新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料體系的引入，是VCSEL突破性能極限、拓展功能的關(guān)鍵，近年來在多結(jié)結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦材料、拓?fù)浣^緣體等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

多結(jié)VCSEL通過堆疊多個(gè)有源區(qū)，大幅提升輸出功率和效率。15結(jié)VCSEL的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)74%，且通過抗反射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了多結(jié)器件光束發(fā)散問題，使其在LiDAR、固態(tài)照明等領(lǐng)域極具競爭力。未來可探索更多結(jié)數(shù)（如20結(jié)以上）的設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化隧道結(jié)性能，降低串聯(lián)電阻。

鈣鈦礦材料為低成本VCSEL提供了新路徑。鈣鈦礦量子點(diǎn)具有溶液可加工性和寬波段可調(diào)諧特性，基于CsPbBr3的鈣鈦礦VCSEL已實(shí)現(xiàn)低閾值激射。但電泵浦器件仍面臨DBR單晶外延和電流注入難題，未來需開發(fā)兼容鈣鈦礦的DBR結(jié)構(gòu)（如氧化物/半導(dǎo)體混合DBR），推動其在可見光通信、低成本傳感中的應(yīng)用。

拓?fù)浣^緣體VCSEL陣列則為高相干性光源提供了新方案。拓?fù)浔Ｗo(hù)特性使其具備抗缺陷干擾能力，光學(xué)泵浦的拓?fù)浣^緣體VCSEL陣列已實(shí)現(xiàn)高光譜均勻性，在量子通信、精密測量中前景廣闊。目前電泵浦器件仍處于起步階段，需設(shè)計(jì)同時(shí)滿足載流子注入和模式限制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，突破室溫穩(wěn)定工作的瓶頸。

五、應(yīng)用驅(qū)動的技術(shù)迭代：聚焦核心場景需求

VCSEL的技術(shù)發(fā)展始終由應(yīng)用需求牽引，在人工智能、光通信、生物傳感等核心領(lǐng)域，其技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)出鮮明的場景定制化特征。

在人工智能領(lǐng)域，VCSEL-based光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）是突破馮·諾依曼架構(gòu)算力瓶頸的關(guān)鍵�；�于5×5相干VCSEL陣列的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了93.1%的手寫數(shù)字識別準(zhǔn)確率，能耗僅7fJ/OP，較電子硬件提升20倍。未來需開發(fā)大規(guī)模相干陣列（如1000×1000）和高速調(diào)制技術(shù)，支撐百億參數(shù)級光計(jì)算模型，滿足大模型訓(xùn)練需求。

在大容量光通信領(lǐng)域，渦旋光束復(fù)用是提升帶寬的重要方向。VCSEL集成超表面可生成多通道渦旋光束（l=15），結(jié)合其11GHz的調(diào)制帶寬，有望實(shí)現(xiàn)Tb級單纖傳輸。需解決渦旋光束在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ交�變問題，推動其在數(shù)據(jù)中心、城域網(wǎng)中的應(yīng)用。

在生物與原子傳感領(lǐng)域，VCSEL的小型化和高穩(wěn)定性使其成為理想光源。集成VCSEL的生物傳感器實(shí)現(xiàn)了尿樣中蛋白質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測，精度媲美臨床檢測設(shè)備；基于895nm VCSEL的微型原子鐘，體積僅15×15×13mm³，頻率穩(wěn)定性達(dá)2×10⁻¹¹/天，為導(dǎo)航、量子傳感提供了核心器件。未來需進(jìn)一步提升靈敏度（如原子磁強(qiáng)計(jì)的30fT/Hz¹/²）和降低功耗，推動其在可穿戴醫(yī)療、自動駕駛中的普及。

總結(jié)：

VCSEL作為集成光子學(xué)的核心平臺，其技術(shù)發(fā)展正朝著“全波段覆蓋、高性能極致、高密度集成、多功能拓展”的方向邁進(jìn)。從長波長到紫外的波長突破，從百GHz帶到74%效率的性能躍升，從單器件到3D系統(tǒng)的集成深化，VCSEL正逐步解鎖在AI、光通信、傳感等領(lǐng)域的潛力。未來，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的持續(xù)創(chuàng)新，VCSEL將成為推動下一代光電子系統(tǒng)向高效、緊湊、智能演進(jìn)的核心引擎，為人類社會的技術(shù)變革提供堅(jiān)實(shí)的硬件支撐。

參考資料：Pan et al. Light: Science & Applications (2024) 13:229 Harnessing the capabilities of VCSELs unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems

轉(zhuǎn)自：小小光08

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