[论文解读] Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) for programmable directional lasing emissions

Yiyang Xie, Peinan Ni+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2019

Semiconductor Lasers and Optical Devices参考文献 30被引用 1

一句话总结

本文提出并展示了单片式垂直腔金属表面对准激光器（VCMELs），通过集成半导体金属表面对准结构，实现了可编程、定向的激光发射。该方法基于标准VCSEL制造工艺，实现了低阈值电流和可扩展阵列集成的精确空间激光束控制，为激光雷达、3D传感和光通信等应用提供了紧凑、高性能的光学系统。

ABSTRACT

Featuring low threshold currents, circular beam profile, and scalable fabrication in densely packed arrays, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have made indispensable contributions to the development of modern optoelectronic technologies. Manipulation of electromagnetic fields with recently emerged flat optical structures, namely metasurfaces, offers new opportunities to minimize complex optical system into ultra-compact dimensions. Here, we proposed and experimentally realized an array of directional Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) through the monolithic integration of semiconductor-based metasurfaces, characterized by unmatched spatial controllability of the laser emissions. Wafer-level monolithic integration of metasurfaces through standard VCSEL technology drastically simplifies the assembling process, with the potential to impact and promote important wide-field applications such as optical data communication, ultra-compact light detection and ranging (LiDAR), 3D sensing, and directional displays.

研究动机与目标

• 为克服传统VCSEL在先进光电子应用中光束方向性和空间控制方面的局限性。
• 将基于半导体的金属表面对准结构单片式集成到VCSEL中，实现在无需外部光学元件情况下的动态、可编程光束整形。
• 通过用超紧凑的晶圆级单片结构替代复杂的自由空间光学元件，简化光学系统集成。
• 实现可扩展、高密度排列的定向激光阵列，适用于对光束精度要求高且功耗低的应用。

提出的方法

• 作者采用标准外延生长和刻蚀技术，将基于半导体的金属表面对准结构直接集成到VCSEL的顶DBR镜中。
• 金属表面对准结构由亚波长的介质纳米结构组成，可对发射孔径引入空间变化的相位延迟。
• 通过调节金属表面对准结构的相位分布，控制远场辐射图案，实现高方向性的光束转向和整形。
• 单片式集成确保了精确对准和结构鲁棒性，消除了对离散元件进行后期组装的需求。
• 系统利用VCSEL的低阈值电流和圆形光束轮廓作为基础，实现增强的光束控制。
• 晶圆级制造工艺支持高良率、可扩展的高密度VCMEL阵列生产。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过将基于半导体的金属表面对准结构与VCSEL单片式集成，在无需外部光学元件的情况下实现可编程、定向的激光发射？
• RQ2 金属表面对准结构在保持低阈值电流的同时，能在多大程度上增强VCSEL的光束方向性和空间控制能力？
• RQ3 晶圆级单片式集成对定向激光阵列的性能、良率和可扩展性有何影响？
• RQ4 VCMELs在替代激光雷达和3D传感等应用中复杂光学系统方面具有多大潜力？

主要发现

• VCMELs通过工程化设计的金属表面对准相位分布，实现了芯片级的可编程定向激光发射，支持光束转向和整形。
• 金属表面对准结构与VCSEL的单片式集成简化了制造工艺，并消除了混合光学系统中常见的对准难题。
• 激光器保持了低阈值电流和圆形光束轮廓，保留了传统VCSEL的固有优势。
• 该方法实现了可扩展、高密度排列的定向发射器阵列，适用于高吞吐量光学应用。
• 通过金属表面对准结构设计，实现了对激光发射图案前所未有的空间控制能力，支持面向应用的定制化光束整形。
• 晶圆级制造工艺支持大规模生产，并可集成到紧凑的光学系统中，适用于实际部署。