研究人员模拟新型金属过滤VCSEL模态控制

MMF-VCSEL的结构

在《传感器》杂志2024年第1447期上，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队发表了一篇论文，介绍了一种新型的金属-介电膜模式滤波器（MMF）结构，该结构能够灵活地调节垂直腔面发射激光器（VCSEL）的横向模式。这项研究显示了金属孔径在提升VCSEL内部模式控制能力方面的潜力。

传统的氧化约束VCSEL在单模操作时，常常遇到串联电阻增加和输出功率不足的问题。为了解决这些问题，研究者们提出了一种新型的模式滤波技术，该技术利用金属孔来实现有效的模式控制。通过COMSOL软件，研究团队构建了MMF-VCSEL的有限元仿真模型，并通过仿真发现，P-DBR的周期数、金属孔径的大小以及氧化物孔径的大小对MMF-VCSEL的模式控制性能有着显著的影响。

具体来说，当P-DBR的周期数较少时，横向光场主要被限制在金属孔径内部，但随着周期数的增加，这种限制作用会逐渐减弱。另外，当金属孔径小于氧化物孔径时，随着两者之间距离的减少，光散射效应会增强，这有助于提高模式识别能力和模式损耗，从而促进更好的单模稳定性。相反，如果金属孔径大于氧化物孔径，VCSEL中的光学模式则主要由氧化物孔径来控制。这一点揭示了金属和氧化物孔径在光场约束和模式识别方面的复杂相互作用。

研究者还引入了一个新的参数——光增益，它描述了由于结构光散射导致的不同横向模式阈值增益的变化。通过调整模式间的光学增益差异和基模的光学增益，研究者确定了最佳的结构参数，以提高MMF-VCSEL的单模稳定性和斜率效率。

这项研究的金属滤模VCSEL结构代表了光模式控制技术的一个进步，它通过灵活调节横向模式，展示了开发具有改进性能的高功率单模VCSEL的潜力。研究结果突出了金属孔径在增强VCSEL模式控制中的重要性，并为开发具有广泛应用前景的高性能VCSEL提供了新的方向。

Leo Ziess & JEOL Thin Apertures