近日，我院梅洋助理教授与张保平教授课题组在氮化镓垂直腔面发射激光器(GaN基VCSEL)领域取得新进展，相关成果以“Comparison Between Planar and Plano-Concave Cavities in GaN-Based VCSELs”为题发表于期刊Laser & Photonics Reviews (IF=9.7)。
图1.光注入GaN基平凹腔VCSEL的(a)光泵浦激发示意图，(b)(c)激射前后近场光斑图像和(d)输出光束
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01
研究背景
GaN基VCSEL由于在显示、照明、可见光通信、海洋探测和生物医疗等方面具有广泛的应用前景，因而成为了GaN光电子器件的研究热点。
近年来吸引了来自大型企业(如索尼、日亚、斯坦雷电气等)和科研院所(厦门大学、名城大学(诺奖得主赤崎勇课题组)、加州大学圣芭芭拉分校(诺奖得主中村修二课题组)、查尔姆斯理工大学等的广泛研究。
目前，VCSEL中常见结构有两种：一种是由双平面镜组成的平面腔，另一种则是由平面镜和曲面反射镜组成的平凹腔。目前已有相关文献表明：曲面反射镜对于提升功率、减小衍射损耗上更具有优势。
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02
研究短板
现阶段，对GaN基平面腔和平凹腔VCSEL的系统分析和相关特性研究仍然较少。例如，两种谐振腔的光场限制，激射前后的纵模分布，激射过程的模式和近场光斑变化，以及两者在不同腔长下的损耗机制和阈值特性对比。若能将两者进行系统的分析和对比，将更好的指导后续电注入GaN基VCSEL的研究。
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03
重磅成果
梅洋助理教授与张保平教授课题组通过使用GaN衬底外延片，制备了具有不同腔长的光注入GaN基平面腔、平凹腔VCSEL。从激射前后的光谱、近场光斑、激射阈值、角分辨光谱以及腔长等方面，深入分析了两种腔结构的损耗和纵模分布规律等物理机制。所研制的平凹腔VCSEL具有三维光场限制、低损耗(高Q值)、低阈值、大输出功率的发光特性。相比于平面腔，平凹腔器件的发光强度提升了5倍以上，激射阈值降低了200%以上。
上述工作由我院梅洋助理教授与张保平教授领导的课题组与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平教授领导的课题组以及南方科技大学合作完成，第一作者为我院电子科学系2021级博士生杨涛，通讯作者为梅洋助理教授和张保平教授。我院微电子与集成电路系2024级硕士生吴佳杰、2023级博士生马立龙也参与了该工作。课题组长期进行GaN基发光器件如VCSEL、谐振腔LED (RCLED) 研究，目前已成功实现近紫外、蓝紫光、蓝光、绿光器件的电注入激射，并且在国际上首次实现了(UVA) VCSEL的电泵浦激射。该项工作得到了国家自然科学基金以及国家重点研发计划等科技项目的资助。
