“最近，我们正在联合开发基于多结垂直腔面激光器的激光雷达系统，未来将用于车载无人驾驶系统。相信在不久的将来，这类激光雷达会成为一种主流。”四川大学教授王俊表示。

图 | 左起；王俊、肖垚（来源：王俊）

近日，他和课题组成功造出 15 结的垂直腔面激光器，能实现 74% 的电光转换效率。

这是目前垂直腔面激光器领域报道的最高效率，结束了该器件长达二十年电光转换效率停滞不前的局面。

在半导体激光器领域，效率——一直都是半导体激光器相比其他激光器的最突出优势之一。

然而，在过去十年里，对于半导体激光器的效率提升的技术路线没有实现任何核心突破，而本次成果为提升半导体激光器的效率提供了一种新思路。

基于多结级联的垂直腔面激光器，不仅在功率成倍提升上表现出明显优势。

同时，该团队也着重分析了其在效率提升方面的优势，对于发展绿色能源光子学有着重要作用。

据介绍，多结垂直腔面激光器的功率和效率得到极大提升之后，能让移动终端中的传感精度和传感能耗都得到较大提升。

与此同时，多结垂直腔面激光器还表现出极低的成本优势，能让激光雷达的成本得到大幅降低，也能对基于其他光源的激光雷达方案产生极大冲击。

（来源：Light：Science & Applications）

此外，AI 的高速发展给算力和数据中心提出了更高的需求。最近，随着 PAM4+ 调制方案的使用，垂直腔面激光器在光通信领域的功率变得至关重要。

因此，高功率、高效率的垂直腔面激光器，在远距离高比特率通信中也具有巨大潜力。

另外，本次成果也能推动 AI 算力数据中心的发展。

算力，是非常核心的要素。而算力的需求增长，也推动着数据中心与终端设备的数据交换容量和速度的大幅增长。

这让多结垂直腔面激光器能在数据中心和更长距离通信上，发挥一定的作用。

（来源：Light：Science & Applications）

曾被用于 iPhone 人脸识别模组的垂直腔面激光器，却被能源问题掣肘

据了解，垂直腔面激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种微腔激光器，其具有成本较低、可靠性高、光谱线宽较窄、接近圆形的对称光斑等优点。

基于垂直腔面激光器的优点，面世以后很快就得到了商业化应用。早期，垂直腔面激光器的应用主要集中在需要小体积、低功率光源的消费电子产品上，比如鼠标、打印机、以及数据中心的短距离光通信。

随着智能技术的发展，垂直腔面激光器已经成为智能感测系统的核心光源，并在面部识别和短程传感系统中得到广泛且成熟的应用。

尤其是 2017 年，垂直腔面激光器被成功用于 iPhone 人脸识别模组，自此开始受到大规模的关注，其应用场景和需求也开始快速爆发。

近年来，随着更高阶的 AI 技术的发展，垂直腔面激光器在感测、通信、原子钟、光学或量子计算、拓扑激光器和医学检查等领域面临巨大的前景和挑战。

随着自动驾驶中远程传感技术的迅速进步，比如 ChatGPT 这样要求高数据容量和高速度的 AI 大模型、以及基于垂直腔面激光器的智能技术和量子技术应用比如深度学习的迅速增长，让它们不可避免地面临着一个共同挑战：能源消耗问题。

无论是移动终端的电池消耗、还是数据中心的能源消耗，作为光源的垂直腔面激光器都构成了能源流失的重要部分。

特别是随着 AI 计算的迅速发展，数据中心的能源消耗需求将进一步增加，预计到 2030 年将增长一个数量级。

其次，自从半导体激光器于 1962 年问世以来，它经历了迅猛的发展。

与气体激光器、固体激光器和光纤激光器相比，半导体激光器具有许多优势，其中最显著的是能实现极高的电光转换效率。

追求半导体激光器的超高效率，一直是光子学领域和激光物理领域的重要目标。

自从边发射半导体激光器面世以来，其功率转换效率的记录便被不断打破。

2006 年，边发射半导体激光器在 -50℃ 下达到 85% 的转换效率。2007 年，其又在室温下达到最大 76% 的功率转换效率。

然而，过去多年来并未出现新的记录。因此，这些功率转换效率记录一直代表着所有半导体激光器的顶级记录。

与边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器的功率转换效率增长非常缓慢，并且存在显著差异。

自 2009 年单结垂直腔面激光器的最大功率转换效率达到 62% 之后，十多年来没有突破性进展。

通常认为，对于微腔激光器垂直腔面激光器来说，要想实现高功率的转换效率记录，一直是光子学中长期难以实现的目标之一。

垂直腔面激光器的效率持续较低的主要原因是：作为一种微腔激光器，它的腔体体积极小，导致其往返增益会被显着降低。较低的增益量，会导致较高的阈值电流。

为了实现较低阈值的目标，垂直腔面激光器的结构设计，通常采用由顶部生长和底部生长的分布式布拉格反射器形成的高反射率镜子。

然而，这种设计会导致电阻显着增加，从而导致焦耳热。此外，分布式布拉格反射器之内的掺杂，会导致载流子吸收损耗。这两个因素共同限制了垂直腔面激光器的效率。

正是在这种背景之下，王俊团队开展了本次研究。

（来源：Light：Science & Applications）

历经疫情影响和“学术争吵”，最终斩获三则专利授权

事实上，该团队关于多结垂直腔面激光器的研究，在 2020 年就已经启动。

那时，早期的多结垂直腔面激光器概念已被提出，全球多所知名大学和公司也对多结垂直腔面激光器申请了发明专利保护。

一开始，该课题组集中于调研文献和复现实验结果。后来，他们生长了 3 结垂直腔面激光器，并获得了 62% 的效率。

“这个效率是基于可商业化结构设计的效率水平，是一个非常的高的水平，因此我们也在 2021 年的美国西部光子学国际会议上进行了报告。”王俊说。

2021 年春，新冠疫情导致实验工作被迫停滞。随后，他开始组织研究人员在线上进行讨论。

在一次讨论中，他们提出一种新型多结级联的垂直腔面激光器结构，随后课题组快速申请发明专利并取得了中国授权。

后来，他们也申请了国际发明专利，目前也已获得美国专利局和欧洲专利局的授权。

事实上，关于多结垂直腔面激光器的技术，国外团队很早之前就已申请专利保护。

“这块也一直是我认为在国产化过程中的风险点，为此我研究了国际专利在多结垂直腔面激光器上的布局。”王俊说。

他心想一定要“破局这个芯片”，研发具有自主知识产权的结构。

抱着这样的目标，王俊逐条分析专利保护，后来决定使用一种新型“反常”的结构设计。

针对这一结构进行仿真模拟之后，他发现技术优势十分可观，随后获得了中国、美国和欧洲的专利授权。

到了 2021 年 4 月，终于可以恢复生产，这时他们开始验证专利理论的有效性，并着手开展极高结数的研究。

“当时的主流研究机构和公司，还在关注 6-8 结的研究。级联结数的越高，外延生长质量极其容易恶化，所以我们针对优化芯片的材料生长加以攻关，推动级联结数到 15 结。”王俊说。

推动多结垂直腔面激光器往更高结数的发展，也与领域内的研究目标保持一致。

因为，多结垂直腔面激光器能让功率成倍地增长，从而能够弥补早期垂直腔面激光器只能在低功率场景下工作的劣势。

但是，王俊一直在思考的是：多结垂直腔面激光器的功率提升，并不会带来非常明显的优势，关于此也缺乏基础物理的研究。

因此，他和学生又开始构建理论模型，从基础物理角度出发，通过仿真模拟发现多结垂直腔面激光器在效率提升之后，展现出极大的优势。

从模拟结果来看，20 结垂直腔面激光器的效率就能达到 88%。“我们看到这个结果时感到有些震惊，因为这个水平基本上可以超越目前所有激光器的效率水平。”王俊说。

后来，他们又基于早期 15 结的实验基础之上，开展结构优化设计，并在实验上实现 74% 的效率。

推动多结垂直腔面激光器往更高结数发展，并不是一件易事。随着结数的增长，外延生长的难度也会成倍增长。

在将近一年的时间里，课题组的外延生长校验方法更换了 10 个版本，器件结构的微调更是替换了近百种设计方案。

到了最后，大家都没有任何头绪。期间，他们没少进行学术的争吵。

外延生长人员对器件设计产生前抱怨：认为结构设计不合理导致了外延生长。

设计人员也开始感到头疼：外延生长的波动导致器件性能波动很大，以至于难以进行实验。

就在思维枯竭的时候，王俊指出问题核心所在：即器件设计人员和外延生长人员各自为政的工作方式是不对的。

随后，他带领团队成员重新梳理，让两个研发工段的人员朝着同一方向努力。

不久之后，他们顺利提出了新型设计结构和外延生长校验方案。

2023 年 7 月，在一次国际研讨会上王俊展示了上述模拟结果和实验结果。

“会上，多位来自德国和日本的垂直腔面激光器领域的先驱级教授，都对这个结果表示震惊，并进行了很多讨论。”他说。

他继续说道：“由此可见，很多时候人们的研究更多是随大流，即聚焦于大家所普遍认为的问题上，缺乏对于基础物理的深入专研。”

而该团队的研究从基础物理的视角出发，却看到了不一样的风景，超越了人们的普遍认知。“这就是一种创新。”王俊表示。

（来源：Light：Science & Applications）

日前，相关论文以《多接头级联垂直腔表面发射激光器，高功率转换效率 74%》（Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%）为题发在 Light：Science & Applications（IF 19.4）。

Yao Xiao 是第一作者，王俊担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Light：Science & Applications）

其中一位审稿人直言：“这确实是一个停滞领域的新突破，（论文）值得发表。”

造福 AI 的同时，被 AI 反哺

在本次成果造福于 AI 发展的同时，研究团队也将受到 AI 的反哺。

本次研究中，他们尚未采用 AI 技术，但是王俊认为联合 AI 进行芯片结构的设计和搜寻将会大有裨益，能够极大提高研发效率和降低实验成本。

目前，课题组掌握着大量的芯片全流程数据，基于这些数据库资源和 AI 概念，可以进行大模型的训练，从而构建一款能够检测全流程工艺影响的大模型，进而助力于芯片研发和生产。

图 | 肖垚（来源：肖垚）

除将利用 AI 助力研发之外，他们还将开展以下研究，其一，继续攻克更高结数的外延生长难题，重点解决在多结有源区层累积之后带来的应力累积和生长质量退化的难题。

同时，也将优化器件结构设计，基于 20 结垂直腔面激光器的研发，进一步突破垂直腔面激光器的效率。

其二，基于高效率的垂直腔面激光器的优势，拓展高效率、大功率多结垂直腔面激光器在通信领域的应用。

目前，在单模多结垂直腔面激光器上，他们已经取得更进一步的功率水平和效率水平。

未来，其将联合外部合作者共同推动多结通信垂直腔面激光器的结构设计，实现在功率、效率、调制速率上的多维度提升。

其三，拓展到更为广泛的波长，尤其是针对量子传感比如原子钟等的特殊波长，大幅提升本次器件的性能，为相关功能的发展提供更大的光源空间。

其四，基于本次成果拓展更多的应用场景，比如将其用于虚拟与现实结合的智能设备，以及为低空飞行汽车端提供更多的距离和三维传感空间。

其五，在基础物理研究层面上，该团队将基于多结垂直腔面激光器集成微纳光学结构，开展拓扑能带、玻色子系统等光子学系统的研究。

参考资料：

1.Xiao, Y., Wang, J., Liu, H.et al. Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%. Light Sci Appl 13, 60 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01403-7

运营/排版：何晨龙

01/ 科学家研发新型印刷电路板，实现超90%的原料回收率，预计成本和传统印刷电路板相似

02/ 江南大学团队打造新一代碱基编辑器，编辑窗口最高可达41nt，可用于高版本工业底盘菌株开发

03/ 加州大学团队开发新型超声贴片，实现3D脑血流动力学监测，为脑科学研究提供有效平台

04/ 分布式电合成氨路在何方？科学家开展合成氨热力学分析，首次找出能耗更低的候选介导金属

05/ 科学家打造基于量子芯片的神经储存器，每平方厘米支持万亿节点，有望用于自然语言处理任务