自問世以來，邊緣發(fā)射激光器（EEL）技術的功率轉換效率（PCE）就在不斷打破記錄，在2006年時，其在-50°C的工作溫度下達到了歷史最高效率——85%。隨后，2007年，在室溫下，EEL技術達到了76%的高轉換效率。然而，這之后的15年間，還沒有創(chuàng)造出新的效率記錄，上述效率就是半導體激光器所能達到的最高效率。

相比之下，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的效率提升速度就較慢。自2009年其PCE最大效率達到了62%后，就沒有取得任何較大的突破，因此VCSEL和EEL技術之間具有明顯的性能差距。作為一種微型腔面激光器，在光子領域實現(xiàn)高效率轉換一直是VCSEL面臨的一項挑戰(zhàn)。

由于功率和效率都低，VCSEL早期的應用主要集中于小型、低功耗消費電子產品以及數(shù)據(jù)中心的短程通信。近年來，隨著智能技術的進步，低功耗VCSEL已經成為智能傳感系統(tǒng)的一個關鍵核心光源芯片，在人臉識別和短程傳感等領域被廣泛應用并取得顯著成功。

近年來，隨著人工智能技術的快速發(fā)展，VCSEL在傳感、通信、原子鐘、光/量子計算、拓補激光和醫(yī)學診斷等領域的應用潛力日益顯現(xiàn)。尤其是，自動駕駛對遠程傳感技術需求增加、高速數(shù)據(jù)處理中心對AI計算能力的需要以及智能和量子技術應用中VCSEL數(shù)量增長，凸顯了能耗這一核心問題對VCSEL的重要性。

VCSEL的能效對于移動設備和數(shù)據(jù)中心的能耗具有重要影響。因此，研發(fā)超高效率的VCSEL對于支持未來智能時代終端設備的發(fā)展至關重要，對于推動綠色能源光子學的發(fā)展也具有重要作用。

高效VCSEL激光器的應用（圖片來源：phys.org）

據(jù)外媒報道，中國四川大學電子與信息工程學院的王君教授領導的一支科學家團隊與中國蘇州長光華芯光電技術有限公司（Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd）合作，利用多結級聯(lián)有源區(qū)域技術實現(xiàn)了VCSEL效率的突破。

研究人員通過采用反向隧道結實現(xiàn)了有源區(qū)域級聯(lián)，提高了效率增益總量。該設計策略允許載流子經受多次受激發(fā)射過程，從而不僅提升設備的差分量子效率，還保持了較低的電流閾值。

近年來，大量研究人員利用多結VCSEL實現(xiàn)了其功率的指數(shù)級增長，讓VCSEL成為自動駕駛汽車激光雷達的激光源。然而，多結VCSEL最顯著的優(yōu)勢應該在于其效率得到顯著提升。

因此，研究人員將理論模擬與實驗相結合，對多結VCSEL在電光轉換效率方面的優(yōu)勢進行了系統(tǒng)研究。

該研究團隊模擬了多結VCSEL的尺度特性，并讓其與單結VCSEL進行比較。數(shù)值模擬結果表明，在室溫條件下，20結VCSEL的電光轉換效率可以超過88%。

實驗結果表明，在室溫條件下，15結VCSEL的電光轉換效率達到了74%，斜率效率為15.6 W/A，對應的差分量子效率超過了1100%。研究人員們認為，此種電光轉換效率是迄今為止VCSEL領域內達到的最高效率，而且其差分量子效率也是半導體激光器所能達到的最高效率。

該研究的作者表示：“未來，我們還計劃探索和擴展高效率、高功率多結VCSEL在通信領域內的應用。該項研究不僅為VCSEL的進一步優(yōu)化和應用提供了有價值的理論和實驗證據(jù)，也為高轉換效率的半導體激光器的進一步發(fā)展和應用提供了有價值的參考，預計可為綠色能源光子學和激光物理學產生重大影響?！?/p>