多氧化层结构对抗反射垂直腔面发射激光器光电性能的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0257

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (5): 706-714.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0257

多氧化层结构对抗反射垂直腔面发射激光器光电性能的影响

陈小东¹(), 贾志刚¹^,²(), 翟光美¹^,², 崔自奇¹, 董海亮¹^,², 贾伟¹^,², 许并社¹^,²^,³

^1.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024
^2.山西浙大新材料与化工研究院，太原 030024
^3.陕西科技大学材料原子·分子科学研究所，西安 710021

收稿日期:2025-12-18 出版日期:2026-05-20 发布日期:2026-06-09
通信作者: 贾志刚，博士，讲师。E-mail：jiazhigang@tyut.edu.com
作者简介:陈小东（1999—），男，重庆市人，硕士研究生。E-mail：18323119654@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(21972103);国家自然科学基金(61904120);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2022SX-TD018);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2022SX-AT001);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT001);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT002);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT003);陕西省自然科学基金(2023-JC-QN-0552)

Effect of Multi-Oxide-Layer Structures on the Optoelectronic Performance of Anti-Reflective Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers

CHEN Xiaodong¹(), JIA Zhigang¹^,²(), ZHAI Guangmei¹^,², CUI Ziqi¹, DONG Hailiang¹^,², JIA Wei¹^,², XU Bingshe¹^,²^,³

^1.Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^2.Shanxi -Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering，Taiyuan 030024，China
^3.Institute of Atomic and Molecular Science，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China

Received:2025-12-18 Online:2026-05-20 Published:2026-06-09

摘要/Abstract

摘要： 在抗反射垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构引入多氧化层后，输出功率和边模抑制比（SMSR）同时增大。尤其是引入n型氧化层后，两者显著增大。根据芯层/包层模型，当芯层和包层的有效折射率差增大时，SMSR减小。但本研究中，引入多氧化层后，虽然有效折射率差增大，但SMSR也同时增大，两者变化趋势相矛盾。其原因如下：1）在抗反射VCSEL中，由于抗反射镜和光存储层的引入，相当于大幅度扩展了腔长，这时，高阶横模的衍射损耗才是决定SMSR的主要因素，芯层/包层模型对SMSR不再起决定作用；2）引入的n型氧化层位于有源区和光存储层之间，光束在有源区和光存储层之间振荡时，一部分高阶横模会被n型氧化孔阻挡，阻碍了这部分高阶横模的模式竞争，有利于SMSR的提高。基于以上机制，能够显著改善VCSEL的单横模特性。考虑到小氧化孔不利于输出功率的提高，本研究将多氧化层引入抗反射VCSEL中，并采用了6 μm的大氧化孔。在80 ℃环境温度、5 mA工作电流下，三氧化层抗反射结构相比单氧化层抗反射结构输出功率提高50.91%，SMSR提高40.32%。

关键词: 垂直腔面发射激光器; 多氧化限制结构; 抗反射结构; 高功率; 单模; 大氧化孔

Abstract: Introducing multi-oxide layers into the structure of an anti-reflective vertical-cavity surface-emitting laser （VCSEL） simultaneously increased the output power and the side-mode suppression ratio （SMSR）. The n-type oxide layer， in particular， led to a substantial enhancement in both parameters. Contrary to the prediction of the standard core/cladding model， the SMSR increased alongside the effective refractive index difference between the core and cladding layers after the multi-oxide-layer introduction. This apparent contradiction is attributed to two mechanisms. First， in anti-reflective VCSELs， the anti-resonant mirror and optical reservoir significantly extend the cavity length， making diffraction loss for high-order transverse modes the primary factor governing the SMSR， rather than the core/cladding model. Second， the n-type oxide layer， located between the active region and the optical reservoir， spatially filters the oscillating beam by blocking a portion of the high-order modes， thereby suppressing their mode competition and improving the SMSR. This approach significantly improves the single-transverse-mode characteristics. To overcome the output power limitation of small oxide apertures， we implemented this multi-oxide-layer design in an anti-reflective VCSEL with a large 6 μm aperture. At an ambient temperature of 80 ℃ and an operating current of 5 mA， the triple oxide layer AR structure achieves an increase of 50.91% in output power and an improvement of 40.32% in SMSR compared to the single oxide layer AR structure.

Key words: vertical-cavity surface-emitting laser; multi-oxide-layer structure; anti-reflection structure; high-power; single-mode; large oxide aperture

中图分类号:

TN248.4

陈小东, 贾志刚, 翟光美, 崔自奇, 董海亮, 贾伟, 许并社. 多氧化层结构对抗反射垂直腔面发射激光器光电性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 706-714.

CHEN Xiaodong, JIA Zhigang, ZHAI Guangmei, CUI Ziqi, DONG Hailiang, JIA Wei, XU Bingshe. Effect of Multi-Oxide-Layer Structures on the Optoelectronic Performance of Anti-Reflective Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(5): 706-714.

图/表 9

图1 单氧化限制抗反射795 nm VCSEL结构示意图和波导简图（a），以及5种抗反射结构对比图（b）

Fig.1 Schematic diagram of single-oxide-confined anti-reflection 795 nm VCSEL structure and waveguide （a）， and comparison of five anti-reflection structures （b）

表1 五种抗反射VCSEL结构的设计对比

Table 1 Comparison of the five designed anti-reflection VCSEL structures

Structure	Type	Oxide layer	Position of the oxide layer （Position：p/n）
p1	Single oxide confinement	1	p： top （1st）
p12	Double oxide confinement	2	p： top （1st， 2nd）
p1n1	Double oxide confinement	2	p： top （1st）， n： bottom （1st）
p12n1	Triple oxide confinement	3	p： top （1st， 2nd）， n： bottom （1st）
p13n1	Triple oxide confinement	3	p： top （1st， 3rd）， n： bottom （1st）

图2 传统结构（a）和单氧化限制抗反射结构（b）p1驻波折射率分布图

Fig.2 Refractive index distribution of p1 standing waves for traditional structure （a） and single-oxide-layer anti-reflective structure （b）

图3 温度为80 ℃、电流为5 mA时，不同结构的功率-电流-电压（P-I-V）曲线

Fig.3 Power-current-voltage （P-I-V） curves for different structures at 80 ℃ and 5 mA

表2 不同结构的阈值电流、输出功率（电流为5 mA时）和斜率效率

Table 2 Threshold current， output power （at 5 mA）， and slope efficiency for different structures

Structure	I_th/mA	P/mW@5 mA	Slope efficiency/（W·A^-1）
Traditional structure	0.76	3.64	0.87
p1	1.34	4.38	1.19
p12	1.07	6.28	1.60
p1n1	0.99	6.27	1.56
p12n1	0.96	6.57	1.63
p13n1	0.99	6.61	1.64

图4 靠近n侧有源区的第一个量子阱、第二个量子阱和第三个量子阱沿径向分布的电流密度

Fig.4 Radial distribution of current density for the first quantum well， the second quantum well， and the third quantum well near the n-side active region

图5 不同结构中3个量子阱内的受激辐射复合速率（a）和非辐射复合速率（b）（SRH复合和俄歇复合）

Fig.5 Stimulated recombination rate （a） and nonradiative recombination rate （b）（SRH recombination and Auger recombination） within three quantum wells in different structures

图6 不同结构的SMSR

Fig.6 SMSR for different structures

图7 不同结构的激射光谱

Fig.7 Lasing spectra of different structures

参考文献 28

[1]	张　建，宁永强，张建伟，等. 微型铷原子钟专用795 nm垂直腔表面发射激光器［J］. 光学精密工程， 2014， 22（1）： 50.
	ZHANG J， NING Y Q， ZHANG J W， et al. 795 nm VCSELs for ⁸⁷Rb based miniaturized atomic clock［J］. Optics and Precision Engineering， 2014， 22（1）： 50 （in Chinese）.
[2]	XIANG L， ZHANG X， ZHANG J W， et al. Stable single-mode operation of 894.6 nm VCSEL at high temperatures for Cs atomic sensing［J］. Chinese Physics B， 2017， 26（7）： 074209.
[3]	KITCHING J. Chip-scale atomic devices［J］. Applied Physics Reviews， 2018， 5（3）： 031302.
[4]	FU L S， CUI N， ZHANG F， et al. Subwavelength-grating coupled-cavity resonance VCSELs with ultra-narrow linewidth［J］. APL Photonics， 2025， 10（5）： 056112.
[5]	ZHOU P， QUAN W， WEI K， et al. Application of VCSEL in bio-sensing atomic magnetometers［J］. Biosensors， 2022， 12（12）： 1098.
[6]	ZHANG S W， ZHOU Y， CHAI Z， et al. Geometric-phase-lens collimated vertical-cavity surface-emitting laser turned on Rb D₁ line for miniature atomic magnetometers［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2023， 72： 400307.
[7]	ZHOU P， ZHANG G Y， LIANG Z H， et al. A non-magnetic packaged vertical-cavity surface-emitting laser for SERF magnetometers［J］. Measurement， 2025， 243： 116381.
[8]	ZHOU Y L， JIA Y C， ZHANG X， et al. Large-aperture single-mode 795 nm VCSEL for chip-scale nuclear magnetic resonance gyroscope with an output power of 4.1 mW at 80 ℃［J］. Optics Express， 2022， 30（6）： 8991-8999.
[9]	YANG Z Y， DENG Y Y， SU J F， et al. From micro-optical to quantum-enhanced gyroscopes： a comprehensive review［J］. Laser & Photonics Reviews， 2025， 19（10）： 2402065.
[10]	JIAO L， AN J H. Noisy quantum gyroscope［J］. Photonics Research， 2023， 11（2）： 150.
[11]	ALEYNIKOV M S， BARYSHEV V N， BLINOV I Y， et al. Prospects for the development of a sensitive atomic interferometer based on cold rubidium atoms［J］. Measurement Techniques， 2020， 63（7）： 520-523.
[12]	KODIGALA A， GEHL M， HOTH G W， et al. High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry［J］. Science Advances， 2024， 10（28）： eade4454.
[13]	XUN M， PAN G Z， SUN Y， et al. Longitudinal multi-cavity coupled VCSELs with narrow linewidth and high single mode power for quantum sensing［J］. Journal of Lightwave Technology， 2024， 42（17）： 5949-5955.
[14]	SALVI L， CACCIAPUOTI L， TINO G M， et al. Atom interferometry with Rb blue transitions［J］. Physical Review Letters， 2023， 131（10）： 103401.
[15]	MALEEV N A， BLOKHIN S A， BOBROV M A， et al. Laser source for a compact nuclear magnetic resonance gyroscope［J］. Gyroscopy and Navigation， 2018， 9（3）： 177-182.
[16]	GRABHERR M， JAGER R， MICHALZIK R， et al. Efficient single-mode oxide-confined GaAs VCSEL’s emitting in the 850-nm wavelength regime［J］. IEEE Photonics Technology Letters， 1997， 9（10）： 1304-1306.
[17]	MICHALZIK R. VCSEL fundamentals［M］//VCSELs. Berlin， Heidelberg： Springer， 2012： 19-75.
[18]	XUN M， PAN G Z， ZHAO Z Z， et al. High single fundamental-mode output power from 795 nm VCSELs with a long monolithic cavity［J］. IEEE Electron Device Letters， 2023， 44（7）： 1144-1147.
[19]	YAZDANYPOOR M， EMAMI F. High power single mode multi-oxide layer VCSEL with optimized thicknesses and aperture sizes of oxide layers［J］. Journal of the Optical Society of Korea， 2014， 18（2）： 167-173.
[20]	YAZDANYPOOR M， GHOLAMI A. Optimizing optical output power of single-mode VCSELs using multiple oxide layers［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， 2013， 19（4）： 1701708.
[21]	ZHANG C， LI H J， LIANG D. Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR［J］. Nature Communications， 2024， 15： 1105.
[22]	XIAO Y， WANG J， LIU H， et al. Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%［J］. Light： Science & Applications， 2024， 13： 60.
[23]	WACHUTKA G K. Rigorous thermodynamic treatment of heat generation and conduction in semiconductor device modeling［J］. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems， 1990， 9（11）： 1141-1149.
[24]	CHUANG S L. Physics of Photonic Devices［M］. 2nd ed. Hoboken： John Wiley & Sons， 2009.
[25]	PAN G Z， XUN M， ZHAO Z Z， et al. High slope efficiency bipolar cascade 905 nm vertical cavity surface emitting laser［J］. IEEE Electron Device Letters， 2021， 42（9）： 1342-1345.
[26]	GRÜNDL T， DEBERNARDI P， MÜLLER M， et al. Record single-mode， high-power VCSELs by inhibition of spatial hole burning［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， 2013， 19（4）： 1700913.
[27]	DEGEN C， ELSABER W， FISCHER I. Transverse modes in oxide confined VCSELs： influence of pump profile， spatial hole burning， and thermal effects［J］. Optics Express， 1999， 5（3）： 38-47.
[28]	WILSON G C， KUCHTA D M， WALKER J D， et al. Spatial hole burning and self-focusing in vertical-cavity surface-emitting laser diodes［J］. Applied Physics Letters， 1994， 64（5）： 542-544.

多氧化层结构对抗反射垂直腔面发射激光器光电性能的影响

Effect of Multi-Oxide-Layer Structures on the Optoelectronic Performance of Anti-Reflective Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	贾秀阳, 贾志刚, 董海亮, 陈小东, 高茂林, 许并社. 对称氧化限制结构提高795 nm VCSEL单模功率[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 809-818.
[2]	祝震宇, 贾志刚, 董海亮, 许并社. 微纳级GaN基VCSEL中周期反射结构与电子阻挡层的设置作用分析[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(8): 1337-1343.
[3]	赵飞云, 任翱博, 巫江. 高功率多结905 nm垂直腔面发射激光器[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(5): 818-824.
[4]	张振, 樊仲维, 苏良碧. 高功率激光与“超热导”激光晶体[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(9-10): 1560-1572.
[5]	陈中舆, 程静欣, 陈怀熹, 冯新凯, 张新彬, 梁万国. 高性能Zn扩散掺镁LN晶体脊形波导器件的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(11): 1823-1829.
[6]	张君, 熊迁, 吴振海, 龙蛟, 赵军普, 郑建刚, 张雄军, 郑奎兴, 魏晓峰. 等离子体电极普克尔盒研究进展[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(8): 1593-1601.
[7]	安晓明, 葛新岗, 刘晓晨, 李义锋, 姜龙, 罗海瀚. 高功率CO₂激光器CVD金刚石窗口制备研究[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(6): 1010-1015.
[8]	胡雪莹, 董海亮, 贾志刚, 张爱琴, 梁建, 许并社. GaAs基980 nm高功率半导体激光器的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(2): 381-390.
[9]	李鹏涛, 王鑫, 罗贤, 陈建新. Al_xGa_1-xN氮化物结构和热力学性质的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(12): 2212-2218.
[10]	张振, 苏良碧. 掺Er³⁺晶体近3 μm中红外激光研究进展[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(8): 1361-1368.
[11]	李义锋;唐伟忠;苏静杰;安晓明;刘晓晨;姜龙;孙振路. 环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下沉积高品质金刚石膜[J]. 人工晶体学报, 2016, 45(8): 2028-2033.
[12]	安康;刘小萍;李晓静;钟强;申艳艳;贺志勇;于盛旺. 新型高功率MPCVD金刚石膜装置的数值模拟与实验研究[J]. 人工晶体学报, 2015, 44(6): 1544-1550.
[13]	于盛旺;刘艳青;唐伟忠;申艳艳;贺志勇;唐宾. 工艺参数对高功率MPCVD金刚石膜择优取向的影响研究[J]. 人工晶体学报, 2012, 41(4): 868-871.
[14]	于盛旺;范朋伟;李义锋;刘艳青;唐伟忠. 椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下大面积金刚石膜的沉积[J]. 人工晶体学报, 2011, 40(5): 1145-1149.
[15]	姜本学;赵志伟;徐军;邓佩珍. Nd3+:d3Ga5O12晶体的室温吸收光谱和荧光光谱[J]. 人工晶体学报, 2004, 33(4): 581-585.