利用金属孔径进行模式滤波可提高VCSEL性能

垂直腔面发射激光器（VCSEL）光源可用于光存储、激光打印、三维传感和其他关键应用。传统的氧化物封闭VCSEL通常在单横向模式下工作，氧化物孔径小于4μm。这会导致VCSEL 的串联电阻增大，输出功率降低。

为了克服这些限制，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究人员开发了一种模式滤波技术，利用金属孔径灵活调节VCSEL中的横向模式。这种新型金属介质膜模式滤波器结构，展示了金属孔径在加强光学模式控制和提高单模VCSEL性能方面的潜力。

金属模式滤波垂直腔面发射激光器的结构

研究人员首先创建了金属模式滤波VCSEL（MMF-VCSEL）的有限元模拟模型。他们模拟了金属层、金属孔径和氧化物孔径在MMF-VCSEL基模光斑上的位置变化，以及这些变化对模态控制的影响。他们系统地计算了不同金属孔径和金属层位置下的模态损耗和光学约束因子变化。

随后，研究人员定义了光学增益，从而能够描述模态判别，并根据具体要求提供可供选择的计算方案和参数范围，以实现最佳的器件性能。仿真结果表明，MMF-VCSEL的模态控制性能受到P分布布拉格反射器（P-DBR）对数量、金属孔径大小和氧化物孔径大小的显著影响。当P-DBR对数较少时，横向光场被强烈地限制在金属孔径内，但随着P-DBR对数的增加，限制作用减弱。

研究人员发现，当金属孔径小于氧化物孔径时，光散射效应会随着两个孔径之间距离的缩小而增强。VCSEL的模式识别和模态损耗增加，从而提高了单模稳定性。

通过定义光学增益，研究人员引入了一个新参数，用于描述由光散射引起的不同横向模式阈值增益的变化。通过平衡不同模式之间的光增益差异和基本模式的光增益，他们确定了提高 MMF-VCSEL单模稳定性和斜率效率所需的最佳结构参数。

总之，研究人员发现，VCSEL内部横向模式的数量、体积和稳定性可根据三个关键参数（氧化物孔径、金属孔径以及氧化物孔径和金属孔径之间的距离）进行调整，从而形成一个灵活的窗口。一个新参数——光学增益，可以用来描述模式识别。

研究人员证明，通过灵活调制横向模式，可以实现具有更佳性能特征的高功率单模VCSEL。这项研究强调了金属孔径在增强VCSEL模式控制方面的关键作用，并可能为开发广泛应用的高性能VCSEL带来新方法。