垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有功耗低、调制带宽高、尺寸小、可扩展性好、与单片集成兼容等特点，已成为开发先进集成光子器件和系统的多功能且前景广阔的平台。通过将VCSEL的这些独特功能与微/纳光学结构（如超构表面）提供的功能相结合，可以实现具有紧凑尺寸、增强性能以及改进的可靠性和功能性的各种多功能、高能效集成光子器件和系统。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院半导体研究所和上海理工大学的研究人员组成的团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Harnessing the capabilities of VCSELs: unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems”的综述论文，全面概述了基于VCSEL的多功能集成光子器件/系统的最新进展，包括光子神经网络、涡旋光束发射器、全息器件、光束偏转器、原子传感器和生物传感器等。通过利用VCSEL的功能，这些集成光子器件/系统在多个领域开启了新的机遇，包括人工智能（AI）、大容量光通信、成像和生物传感等。通过这次全面的综述，旨在提供对VCSEL在集成光子学中所发挥的关键作用的深入理解，并强调它们在推动该领域迈向高效、紧凑和多功能的光子解决方案方面的重要性。
VCSEL基本原理、优势和进展
图1a中的中央图显示了顶部发射VCSEL的示意图，其外延结构从下到上包含衬底、n型分布式布拉格反射镜（N-DBR）、有源区、氧化层、p型DBR（P-DBR）和欧姆接触层。
与固体/气体激光器或边发射激光器（EEL）等其它激光器相比，VCSEL在尺寸、功耗、调制带宽和可扩展性方面具有无与伦比的优势。近年来，VCSEL为实现紧凑、轻便和可扩展的先进集成光子器件和系统开辟了一条全新的道路，包括3D光子神经网络、微涡旋光束发射器、偏振光束发射器、集成全息器件、集成光束反射器和集成传感器（如图1a所示），丰富了其功能和应用。VCSEL具有以下几个独特的特性和优势：晶圆法向发射和可扩展性、高速直接调制、低功耗、温度稳定性，使其成为先进集成光子器件和系统的理想激光源。
图1 基于VCSEL的集成光子学概览
图1b显示了VCSEL研发的历程。自Iga教授于1977年提出表面发射激光器（SEL）的概念以来，VCSEL在过去的四十年里引起了人们极大的兴趣，并得到了广泛的研究。第一个SEL是由Iga教授团队于1979年通过实验实现的。在那之后，各种方法（包括使用半导体分布式布拉格反射镜、在有源区引入量子阱以及采用氧化物孔径以限制电流等）已被证明可以发展和改进现在称之为VCSEL的器件。由于该领域所有研究人员的重大和开创性贡献，VCSEL在材料生长、器件结构、制造工艺和器件性能方面取得了巨大进展。到目前为止，VCSEL已被广泛应用于光通信、光学鼠标、激光打印机、光存储，以及智能手机、车载激光雷达（LiDAR）、AR/VR等消费电子领域。
近年来，人们不断开发具有新结构和新材料的VCSEL，包括通过中心腔耦合的多横向耦合腔（MTCC）的新型VCSEL、多结VCSEL、用于储层计算的微柱VCSEL阵列、拓扑绝缘体VCSEL阵列等（如图2），以进一步提高其性能。
图2 新型设计的VCSEL
基于VCSEL的先进集成光子器件和系统
涡旋光束具有螺旋波前，自然携带轨道角动量（OAM），因此涡旋光束也被称为OAM光束。由于OAM态具有正交性和无限的拓扑荷数，涡旋光束可用于大幅提高光通信系统的容量和光谱效率。除了大容量光通信，涡旋光束在其它众多领域也展现出巨大潜力，包括量子信息、粒子操控、全息术、光数据存储和光学加密等应用。
与由级联光学元件组成的用于产生涡旋光束的庞大光学系统相比，集成芯片级涡旋光束发射器提供了一种更紧凑、更鲁棒的解决方案。利用VCSEL的晶圆法向发射特性，可将微螺旋相位板（SPP）直接集成在VCSEL的发射表面上，如图3a所示。VCSEL的圆对称光束可以均匀照射集成的SPP，从而轻松生成结构化光束和OAM光束。
与传统的衍射光学元件（DOE）相比，超构表面（metasurface）是一种具有平面结构的二维光学元件。独特的平面化设计、大规模集成的潜力以及与CMOS工艺的兼容性使超构表面非常适合光电集成。通过在底部发射VCSEL的背面GaAs衬底上集成超构表面可实现一种芯片级OAM发射器，如图3b所示。
图3 基于VCSEL的微涡旋光束发射器
全息技术能够重建逼真的三维场景，提供逼真和身临其境的视觉体验，从而彻底改变了成像和显示技术。传统的基于空间光调制器（SLM）的全息方法可以实现动态和可重构的全息图。然而，SLM的大尺寸不可避免地增加了光学系统的尺寸，使其难以实现与VCSEL的集成。
VCSEL为全息器件的微型化提供了一个完美的集成平台。使用VCSEL作为相干光源，可以实现性能提高、复杂性降低的全息显示。通过将VCSEL与可对任意复杂光束模式进行编码的超构表面全息图集成，可实现芯片级全息器件（图4a）。此外，通过将由2D双折射纳米天线阵列构成的超构表面与VCSEL集成，可实现偏振复用全息术（图4b-4d）。
图4 基于VCSEL的集成全息器件
光束偏转器是激光雷达（LiDAR）、投影显示器和自由空间通信等许多应用中的关键组件。近年来，基于光学相控阵（OPA）、SLM等的非机械光束操控技术已被广泛研究和展示，但仍然需要额外的片外激光源。VCSEL本身易于单片集成，并具有快速调制能力，因此是实现光束操控的绝佳平台。通过在芯片上将相位控制元件与VCSEL集成，就能以紧凑高效的方式实现对发射光束的精确操控和转向，如图5所示。
图5 通过将VCSEL与超构表面集成实现的集成光束偏转器
此外，文中还介绍了基于VCSEL的集成传感器、基于VCSEL的3D光子神经网络等的最新进展。
综上所述，VCSEL在集成光子学领域具有独特的优势，包括垂直发射、低功耗、高温稳定性、高直接调制速度、可扩展的二维阵列以及易于单片集成。利用VCSEL作为激光源和集成平台，可直接集成如超构表面、相位板等微/纳米功能光学元件，从而实现各种芯片级、多功能光子器件和系统。这种集成可将VCSEL优异的固有特性转移到集成器件和系统中，为下一代高度集成、便携、高性能和低功耗的光电系统创造巨大的潜力。在基于VCSEL的集成器件中，超构表面表现出强大的波前调控能力，可实现光束操控、偏振调控、全息成像和涡旋光束生成等多功能。此外，超构表面的超薄二维结构使其在微型化集成光子学领域具有无可比拟的优势。未来的工作需要解决超构表面高良率和大规模制造面临的挑战。
总之，这篇综述总结并讨论了基于VCSEL的集成光子器件和系统的最新进展，包括光子神经网络、涡旋光束发射器、全息器件、光束偏转器、原子传感器和生物传感器。这些基于VCSEL的先进集成器件在特定领域表现出强大的吸引力。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01561-8
