垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借低功耗、高调制带宽、小尺寸、良好的可扩展性以及与单片集成的兼容性，已成为先进集成光子器件与系统的核心平台。近年来，随着人工智能、大容量光通信、生物传感等领域的快速发展，VCSEL的技术演进不断突破边界，其发展方向也逐渐聚焦于满足更复杂场景的需求。

基于最新研究成果，从波长拓展、性能优化、集成技术、新型结构开发及应用驱动创新五个维度，剖析VCSEL的技术发展趋势。

一、波长范围的突破：从长波拓展到紫外覆盖

VCSEL的波长覆盖范围是决定其应用场景的关键因素。当前主流的GaAs基VCSEL主要集中在850-980nm波段，已广泛应用于数据中心光互联和3D传感，但在长波长（1.3-2.3μm）和紫外（<400nm）波段仍存在技术瓶颈，这也是未来发展的核心方向之一。

在长波长领域，1.3μm和1550nm波段的VCSEL对硅光子学集成、长距离数据通信和气体传感至关重要。传统InP基VCSEL因异质外延分布式布拉格反射镜（DBR）的晶格失配问题，难以实现高性能器件。最新研究通过光子纳米结构设计，如电化学多孔化形成的纳米多孔InP层，构建了高折射率对比度（近1.0）的同质外延DBR，成功实现了1380nm和1550nm波长的VCSEL，为硅光子学集成提供了理想光源。未来需进一步降低成本、提升量产能力，推动其在长途通信和量子技术中的应用。

紫外VCSEL则在消毒、ytterbium离子原子钟、3D激光纳米打印等领域具有不可替代的潜力。目前，光泵浦的紫外B（280-320nm）和紫外C（200-280nm）VCSEL已被实现，但电泵浦器件仍面临三大挑战：紫外波段高增益有源层生长、低损耗微腔制备以及高效电流注入机制。解决这些问题需要突破材料生长技术（如AlGaN外延质量提升）和器件结构创新（如新型DBR设计），未来5-10年有望实现电泵浦紫外VCSEL的实用化。

二、性能指标的极致追求：带宽、效率与稳定性的全面提升

VCSEL的性能优化始终围绕调制带宽、功率转换效率和温度稳定性三大核心指标展开，以满足高速数据传输、低功耗设备和极端环境应用的需求。

调制带宽方面，当前VCSEL的调制速率已达45GHz，通过多横向耦合腔（MTCC）结构设计，理论上可突破100GHz。关键技术包括：增加量子阱应变以提高微分增益、减小光子寿命和有源区体积、降低寄生电容。例如，采用中心腔耦合的MTCC结构，通过慢光光学反馈延长调制带宽，为超高速光通信（如1.6Tb/s短距离传输）奠定基础。未来需进一步优化 epitaxial结构和工艺，推动带宽向100GHz以上迈进。

功率转换效率是低功耗应用的核心。15结VCSEL已实现74%的功率转换效率，单模输出功率达28.4mW，为LiDAR等大功率场景提供了可能。通过引入抗反射光 reservoir结构，可有效降低多结VCSEL的光束发散角（至8.0°），提升能量利用率。同时，低能耗特性（如<100fJ/bit的能量-数据比）使其在AI计算中心等场景中具备显著优势，未来需在保持高效率的同时，进一步提升输出功率稳定性。

温度稳定性方面，VCSEL的发射波长随温度变化极小，且单纵模工作特性使其在宽温域（如-40℃至100℃）下表现优异。相比边发射激光器（EEL），VCSEL的阈值电流温度敏感性更低，这使其在汽车LiDAR、工业传感等高温环境中更可靠。未来通过优化氧化层设计和热管理结构，可进一步拓宽其稳定工作的温度范围，满足更极端场景的需求。

三、集成技术的深化：从单器件到多功能系统

VCSEL的核心优势在于其与微纳光学结构的高度集成能力，未来集成技术将向“多功能化、高密度化、3D堆叠”方向发展，推动集成光子系统的性能跃升。

超表面集成是实现多功能调控的关键。超表面由二维纳米天线阵列构成，可同时操控光的相位、偏振和振幅，与VCSEL结合后，能实现涡旋光束发射、全息成像、偏振控制等复杂功能。例如，在VCSEL表面集成螺旋相位板（SPP），可生成拓扑荷l=15的涡旋光束，突破传统器件的空间带宽限制；通过琼斯矩阵超表面，可实现圆偏振分束和双通道全息投影，显著提升光通信的信息容量。未来需解决超表面的大规模量产问题，开发兼容CMOS工艺的制造技术，降低集成成本。

3D垂直堆叠集成是提升系统密度的核心路径。VCSEL的垂直出光特性使其天然适合3D堆叠，通过与微透镜、衍射光学元件（DOE）、光探测器等的单片集成，可构建超紧凑系统。例如，集成VCSEL、PIN探测器和滤波器的生物传感器，尺寸仅为100μm级，实现了蛋白质的高灵敏度检测（尿样检测限0.023g/L）。未来需突破层间光学串扰和热管理难题，推动多芯片异质集成，为便携式医疗设备、可穿戴传感器提供核心硬件。

相干阵列集成是满足大规模并行应用的基础。可寻址的2D相干VCSEL阵列已被用于光子神经网络，通过光学注入锁相实现相位控制，完成矩阵乘法等运算，算力达6TeraOP/(mm²·s)。未来需开发更大规模（如100×100）的相干阵列，解决寻址电路设计（如背发射VCSEL倒装焊技术）和散热问题（如微流道冷却），为光计算、大规模光互联提供支撑。

四、新型结构与材料的创新：拓展功能边界

新型结构设计和材料体系的引入，是VCSEL突破性能极限、拓展功能的关键，近年来在多结结构、钙钛矿材料、拓扑绝缘体等领域取得了突破性进展。

多结VCSEL通过堆叠多个有源区，大幅提升输出功率和效率。15结VCSEL的功率转换效率达74%，且通过抗反射结构设计，解决了多结器件光束发散问题，使其在LiDAR、固态照明等领域极具竞争力。未来可探索更多结数（如20结以上）的设计，同时优化隧道结性能，降低串联电阻。

钙钛矿材料为低成本VCSEL提供了新路径。钙钛矿量子点具有溶液可加工性和宽波段可调谐特性，基于CsPbBr3的钙钛矿VCSEL已实现低阈值激射。但电泵浦器件仍面临DBR单晶外延和电流注入难题，未来需开发兼容钙钛矿的DBR结构（如氧化物/半导体混合DBR），推动其在可见光通信、低成本传感中的应用。

拓扑绝缘体VCSEL阵列则为高相干性光源提供了新方案。拓扑保护特性使其具备抗缺陷干扰能力，光学泵浦的拓扑绝缘体VCSEL阵列已实现高光谱均匀性，在量子通信、精密测量中前景广阔。目前电泵浦器件仍处于起步阶段，需设计同时满足载流子注入和模式限制的拓扑结构，突破室温稳定工作的瓶颈。

五、应用驱动的技术迭代：聚焦核心场景需求

VCSEL的技术发展始终由应用需求牵引，在人工智能、光通信、生物传感等核心领域，其技术演进呈现出鲜明的场景定制化特征。

在人工智能领域，VCSEL-based光子神经网络（PNN）是突破冯·诺依曼架构算力瓶颈的关键。基于5×5相干VCSEL阵列的深度神经网络，实现了93.1%的手写数字识别准确率，能耗仅7fJ/OP，较电子硬件提升20倍。未来需开发大规模相干阵列（如1000×1000）和高速调制技术，支撑百亿参数级光计算模型，满足大模型训练需求。

在大容量光通信领域，涡旋光束复用是提升带宽的重要方向。VCSEL集成超表面可生成多通道涡旋光束（l=15），结合其11GHz的调制带宽，有望实现Tb级单纤传输。需解决涡旋光束在光纤中传输的模式畸变问题，推动其在数据中心、城域网中的应用。

在生物与原子传感领域，VCSEL的小型化和高稳定性使其成为理想光源。集成VCSEL的生物传感器实现了尿样中蛋白质的实时检测，精度媲美临床检测设备；基于895nm VCSEL的微型原子钟，体积仅15×15×13mm³，频率稳定性达2×10⁻¹¹/天，为导航、量子传感提供了核心器件。未来需进一步提升灵敏度（如原子磁强计的30fT/Hz¹/²）和降低功耗，推动其在可穿戴医疗、自动驾驶中的普及。

总结：

VCSEL作为集成光子学的核心平台，其技术发展正朝着“全波段覆盖、高性能极致、高密度集成、多功能拓展”的方向迈进。从长波长到紫外的波长突破，从百GHz带到74%效率的性能跃升，从单器件到3D系统的集成深化，VCSEL正逐步解锁在AI、光通信、传感等领域的潜力。未来，随着新材料、新结构、新工艺的持续创新，VCSEL将成为推动下一代光电子系统向高效、紧凑、智能演进的核心引擎，为人类社会的技术变革提供坚实的硬件支撑。

参考资料：Pan et al. Light: Science & Applications (2024) 13:229 Harnessing the capabilities of VCSELs unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems

转自：小小光08

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