▎導讀

垂直腔面發射激光器（VCSELs）具有低功耗、低溫漂、高調制帶寬、易于形成二維陣列等優勢，是短距離光互連、三維傳感、激光雷達、AR/VR等應用的核心光源。更重要的是，VCSELs平面結構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的絕佳光源兼集成平臺。

近日，中國科學院微電子研究所吳德馨院士團隊聯合上海理工大學智能科技學院在Light: Science Applications發表了綜述文章 "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院微電子研究所潘冠中青年研究員，通訊作者為中國科學院微電子研究所荀孟青年研究員和上海理工大學智能科技學院董毅博特聘副研究員。

該文回顧了VCSELs的發展歷程、發展趨勢和存在的挑戰，重點探討了VCSELs在三維光學神經網絡、微型渦旋光束發射器、微型全息器件、光束偏轉器、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的應用，并論述了VCSELs在集成光子器件和系統中的應用優勢及未來的發展趨勢和挑戰。

▎概述

垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有低功耗、低溫漂、高調制帶寬、高擴展性、易于片上集成等優勢，已成為光子集成領域的核心光源和片上集成平臺。尤其VCSEL平面結構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勢。近年來，VCSEL為實現微型渦旋光發射器、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、3D光學神經網絡等先進光子集成器件和系統開辟了全新的路徑。作為這些先進集成光子器件和系統的激光源兼集成平臺，VCSEL賦予了它們高集成度、高擴展性、高調制速率和低功耗等優勢，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領域創造更多的可能性。

圖1：基于VCSEL的先進集成光子器件和系統

▎基于VCSEL的微型渦旋光發射器件

隨著傳統光波維度資源（如振幅、波長、相位、時間、偏振）已被開發至接近極限，光通信面臨可持續擴容的挑戰。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擴容的有效途徑之一。然而，基于空間光調制器（SLM）的渦旋光束產生裝置結構復雜、體積龐大，難以微型化和集成化，不利于推廣和應用。利用VCSEL平面結構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構，可實現微型、結構緊湊、多通道可擴展的渦旋光發射器件。而且，通過多層相位板級聯的方式，可以有效提高空間帶寬積，從而實現高拓撲荷數的渦旋光發射器件，為未來大容量光通信應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

全息技術被認為是未來終極的三維可視化技術。然而，傳統的全息成像方法通常使用離散光學元件和片外光源，導致尺寸大，復雜性高。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相結合，可以實現偏振復用全息成像。這種多路復用技術可以大幅提升信息傳輸能力，在光通信、顯示、數據存儲和光加密等領域具有重要的應用價值。

圖3：基于VCSEL的微型全息器件

▎基于VCSEL的原子傳感系統

原子精密傳感系統，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對時間、磁場和姿態的精確測量，由于其特殊的精度和靈敏度，在各種科學和工業應用中發揮著至關重要的作用。原子傳感系統正朝著微型化、集成化的方向發展，這有助于集成到緊湊的電子設備和系統中。芯片級的原子傳感系統因其尺寸小、功耗低、穩定性好等優點而具有高度的吸引力。然而，傳統的固體/氣體激光器并不適合實現芯片級的原子傳感器。相比之下，具有單模、窄線寬、偏振穩定的VCSEL已被證明是實現微型原子傳感系統的絕佳光源，封裝后的原子鐘系統外部尺寸為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的光學神經網絡

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

圖5：基于VCSEL的三維光芯片架構

▎總結

本文綜述了基于VCSEL的集成光子器件和系統的最新發展，包括光子神經網絡、渦旋光束發射器、全息器件、光束偏轉器、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具有小尺寸、低功耗、可擴展、易裝配等優勢，在人工智能、大容量光通信、原子精密傳感、生物傳感等領域表現出很強的吸引力。總之，VCSEL在集成光子領域中發揮著關鍵作用，在推進該領域走向高效、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