新型腔体调控策略提升蓝色垂直腔面发射激光器性能

基于氮化镓（GaN）的垂直腔面发射激光器（VCSEL）在显示、传感和光通信领域前景广阔，但提升效率仍然是一大挑战。研究人员日前发现，"腔体调谐"（即控制谐振波长）对激光器性能有显著影响。通过分析VCSEL晶圆上的参数变化，团队确定了最佳镜面损耗条件并提取了器件参数。该方法实现了26.4%的墙插效率，为下一代高效可见光半导体激光器提供了指导。

基于氮化镓（GaN）的垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为面向未来技术的紧凑型、高能效光源，正受到越来越多的关注。这类半导体激光器被认为在下一代显示、生物识别传感、环境监测和短距光通信等应用中具有广阔前景。然而，由于激光性能高度依赖精确的光学设计和腔体控制，提升其效率一直是一大挑战。

针对这一挑战，由日本名城大学材料科学与工程系的Tetsuya Takeuchi教授、Satoshi Kamiyama教授、Motoaki Iwaya教授领导的研究团队，以及名城大学理工学研究科研究生、第一作者Naoki Shibahara，共同研究了"腔体调谐"如何影响GaN基VCSEL的激光特性。传统研究主要关注增益调谐（也称为失谐），而该团队证明：谐振波长相对于分布式布拉格反射镜中心波长的对齐情况，对激光器运行具有关键影响。

相关研究于2026年4月27日发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。

研究人员使用了含有AlInN/GaN分布式布拉格反射镜的GaN基VCSEL晶圆，这类反射镜的光学禁带较窄。正因如此，即使谐振波长发生微小偏移，也会显著改变镜面损耗并影响激光器效率。通过检测晶圆面上的参数变化，团队观察到腔体调谐使镜面损耗值从25 cm⁻¹系统地变化到50 cm⁻¹。随后，他们将这些变化与差分外部量子效率、阈值电流密度和墙插效率等关键激光特性进行了关联分析。

测量结果表明，腔体调谐能提供传统失谐分析无法揭示的器件内部物理信息。通过分析镜面损耗的依赖性，团队提取了关键内部参数，包括约85%的注入效率和约11 cm⁻¹的内部损耗。更重要的是，他们确定了约35~40 cm⁻¹为最佳镜面损耗区间，在此区间内墙插效率可超过25%。性能最优的器件实现了26.4%的墙插效率，超过了该团队此前报道的水平。

Takeuchi教授解释道："推动这项研究的动因，是我们观察到了晶圆面上激光特性的变化，通过测量晶圆上不同位置的器件并分析数据，我们发现仅靠传统的增益失谐无法完全解释结果，这促使我们认识到了腔体调谐的重要性。"

这些发现有望加速实用高效可见光激光器的开发。由于GaN基VCSEL被认为是紧凑型光子系统的理想选择，对腔体调谐的深入理解将为需要高光学性能和高能效的商用器件提供更可靠的设计策略。

Shibahara说道："墙插效率超过20%——这在当时属于全球最高水平之一——极大地鼓舞了我继续深入研究VCSEL特性"。他还表示，目前正在研究面向高功率运行的二维VCSEL集成，重点关注器件交互、热效应与光效应以及高效阵列设计。

总体而言，该研究表明：腔体调谐是GaN基VCSEL中与传统增益调谐同等重要的设计参数。团队将晶圆面上天然存在的参数变化转化为研究优势，建立了一种优化镜面损耗、提升激光效率的实用方法。这些成果为未来高性能半导体激光器在传感、通信和先进光子技术领域的设计提供了重要指导。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1063/5.0315945