▎導(dǎo)讀

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）具有低功耗、低溫漂、高調(diào)制帶寬、易于形成二維陣列等優(yōu)勢，是短距離光互連、三維傳感、激光雷達、AR/VR等應(yīng)用的核心光源。更重要的是，VCSELs平面結(jié)構(gòu)和垂直襯底出射的特點使其成為三維垂直堆疊式集成光子器件和系統(tǒng)的絕佳光源兼集成平臺。

近日，中國科學(xué)院微電子研究所吳德馨院士團隊聯(lián)合上海理工大學(xué)智能科技學(xué)院在Light: Science Applications發(fā)表了綜述文章 "Harnessing the Capabilities of VCSELs: Unlocking the Potential for Advanced Integrated Photonic Devices and Systems"。文章第一作者為中國科學(xué)院微電子研究所潘冠中青年研究員，通訊作者為中國科學(xué)院微電子研究所荀孟青年研究員和上海理工大學(xué)智能科技學(xué)院董毅博特聘副研究員。

該文回顧了VCSELs的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢和存在的挑戰(zhàn)，重點探討了VCSELs在三維光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、微型渦旋光束發(fā)射器、微型全息器件、光束偏轉(zhuǎn)器、微型原子傳感器和生物傳感器等先進光子集成器件與系統(tǒng)的應(yīng)用，并論述了VCSELs在集成光子器件和系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢及未來的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。

▎概述

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有低功耗、低溫漂、高調(diào)制帶寬、高擴展性、易于片上集成等優(yōu)勢，已成為光子集成領(lǐng)域的核心光源和片上集成平臺。尤其VCSEL平面結(jié)構(gòu)和光束垂直襯底出射的特點，使其在三維（3D）垂直堆疊集成方面具有先天優(yōu)勢。近年來，VCSEL為實現(xiàn)微型渦旋光發(fā)射器、微型全息器件、微型光束掃描器、生物傳感器、微型原子傳感系統(tǒng)、3D光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進光子集成器件和系統(tǒng)開辟了全新的路徑。作為這些先進集成光子器件和系統(tǒng)的激光源兼集成平臺，VCSEL賦予了它們高集成度、高擴展性、高調(diào)制速率和低功耗等優(yōu)勢，為它們在人工智能、大容量光通信、高分辨成像、生物傳感等新興技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造更多的可能性。

圖1：基于VCSEL的先進集成光子器件和系統(tǒng)

▎基于VCSEL的微型渦旋光發(fā)射器件

隨著傳統(tǒng)光波維度資源（如振幅、波長、相位、時間、偏振）已被開發(fā)至接近極限，光通信面臨可持續(xù)擴容的挑戰(zhàn)。渦旋光束的軌道角動量（OAM）具有無窮正交特性，理論上能將光通信容量擴展至無窮，因此，渦旋光通信是解決光通信可持續(xù)擴容的有效途徑之一。然而，基于空間光調(diào)制器（SLM）的渦旋光束產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，難以微型化和集成化，不利于推廣和應(yīng)用。利用VCSEL平面結(jié)構(gòu)和垂直襯底出射的特點，可直接在其出光孔表面集成微型螺旋相位板、超表面、或叉型光柵等微納結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)微型、結(jié)構(gòu)緊湊、多通道可擴展的渦旋光發(fā)射器件。而且，通過多層相位板級聯(lián)的方式，可以有效提高空間帶寬積，從而實現(xiàn)高拓撲荷數(shù)的渦旋光發(fā)射器件，為未來大容量光通信應(yīng)用提供了可供選擇的光源。

圖2：基于VCSEL的集成渦旋光器件和多通道渦旋光陣列

▎基于VCSEL的微型全息器件

全息技術(shù)被認為是未來終極的三維可視化技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的全息成像方法通常使用離散光學(xué)元件和片外光源，導(dǎo)致尺寸大，復(fù)雜性高。通過將VCSEL與超表面或3D打印全息相位板集成，可以實現(xiàn)芯片級的全息器件。此外，通過將由二維雙折射納米天線陣列組成的超表面與VCSEL相結(jié)合，可以實現(xiàn)偏振復(fù)用全息成像。這種多路復(fù)用技術(shù)可以大幅提升信息傳輸能力，在光通信、顯示、數(shù)據(jù)存儲和光加密等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

圖3：基于VCSEL的微型全息器件

▎基于VCSEL的原子傳感系統(tǒng)

原子精密傳感系統(tǒng)，如原子鐘、原子磁力儀和原子陀螺儀，依靠激光和原子之間的相互作用來實現(xiàn)對時間、磁場和姿態(tài)的精確測量，由于其特殊的精度和靈敏度，在各種科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。原子傳感系統(tǒng)正朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，這有助于集成到緊湊的電子設(shè)備和系統(tǒng)中。芯片級的原子傳感系統(tǒng)因其尺寸小、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而具有高度的吸引力。然而，傳統(tǒng)的固體/氣體激光器并不適合實現(xiàn)芯片級的原子傳感器。相比之下，具有單模、窄線寬、偏振穩(wěn)定的VCSEL已被證明是實現(xiàn)微型原子傳感系統(tǒng)的絕佳光源，封裝后的原子鐘系統(tǒng)外部尺寸為15mm×15mm×13mm，可與5歐分硬幣相媲美。

圖4：基于VCSEL的微型原子鐘

▎基于VCSEL的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著人工智能大模型的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有馮諾依曼架構(gòu)計算系統(tǒng)的算力不足、高能耗問題逐漸凸顯。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNNs）模擬人腦的運算架構(gòu)，以光作為信息載體，展現(xiàn)出了超快的計算速度和超低能耗的優(yōu)勢。目前，PNNs除了以硅光子技術(shù)實現(xiàn)的二維架構(gòu)外，還發(fā)展出了三維空間的計算架構(gòu)。光可以在自由空間中傳播的特性使得三維PNNs的構(gòu)建無需復(fù)雜的互聯(lián)光路，簡化了實現(xiàn)難度。VCSEL的二維陣列、高速、非線性等特性使得它在三維PNNs中發(fā)揮了重要作用。大體可以總結(jié)為：（1）VCSEL作為有源器件可以被光泵浦，并且VCSEL的泵浦響應(yīng)可以通過多種手段進行調(diào)制，因而，VCSEL可以作為光子神經(jīng)元實現(xiàn)權(quán)重功能。（2）VCSEL的光泵浦過程展現(xiàn)出了較強的非線性過程，因而可以用于構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的非線性激活函數(shù)。（3）作為激光源，VCSEL具有極高的調(diào)制速率，因而可以用于PNNs的高通量光信號輸入。（4）在超導(dǎo)和量子計算中，低溫環(huán)境通常是必須的，VCSEL能夠用于從超低溫到室溫的數(shù)據(jù)傳輸。后續(xù)，在本節(jié)中，作者深入總結(jié)了基于VCSEL構(gòu)建的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、儲備池計算、衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等三維光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖5：基于VCSEL的三維光芯片架構(gòu)

▎總結(jié)

本文綜述了基于VCSEL的集成光子器件和系統(tǒng)的最新發(fā)展，包括光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、渦旋光束發(fā)射器、全息器件、光束偏轉(zhuǎn)器、原子傳感器和生物傳感器。這些基于VCSEL的先進光子集成器件和系統(tǒng)具有小尺寸、低功耗、可擴展、易裝配等優(yōu)勢，在人工智能、大容量光通信、原子精密傳感、生物傳感等領(lǐng)域表現(xiàn)出很強的吸引力?？傊?，VCSEL在集成光子領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在推進該領(lǐng)域走向高效、緊湊和多功能的光子解決方案有著重要意義。

▎論文信息

Pan, G., Xun, M., Zhou, X. et al. Harnessing the capabilities of VCSELs: unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems. Light Sci Appl 13, 229 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01561-8