四川大学王俊教授团队联合苏州长光华芯光电技术股份有限公司研发人员近期在Nature旗下的Light: Science & Applications（影响因子19.4，世界光学期刊榜前3位）发布最新研究成果，通过理论模拟与实验相结合系统研究多结VCSEL在电光转换效率的优势。模拟表明，20 结 VCSEL 在室温下可以实现超过 88% 的效率。并通过实验实现了15结VCSEL在室温下实现最高74%的效率，相应的微分量子效率超过1100%，是迄今为止报道的VCSEL最大的电光转换效率和微分量子效率，打破近20年来VCSEL效率发展停滞的局面，改变了VCSEL在效率上无法超过边发射激光器的固有认知。
这项研究将为高效率半导体激光器（特别是VCSEL）的进一步开发和应用(激光雷达，高速通信及数据中心算力)提供有价值的参考，并对推动绿色能源光子学产生重大影响。多结垂直腔面激光器的功率和效率得到极大提升之后，能让移动终端中的传感精度和传感能耗都得到较大提升。另外，本次成果也能推动 AI 算力数据中心的发展和在远距离高比特率通信中也具有巨大潜力。还可以将其用于虚拟与现实结合的智能设备，以及为低空飞行汽车端提供更多的距离和三维传感空间。
相关成果以“Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%”为题发表在Light: Science & Applications。四川大学博士研究生肖垚为第一作者，王俊教授为通讯作者。
图：左起；王俊、肖垚
近日，垂直腔面发射激光器的概念提出者和发明人，东京工业大学的Kenichi Iga和Fumio Koyama 教授，以及垂直腔面发射激光器领域的国际泰斗级的德国柏林工业大学的Dieter Bimberg教授（美、德、俄等多国院士）共同撰写了评论性文章，发表在Light Sci Appl 13, 123 (2024)上。其评论如下：VCSEL 凭借其高能效、低成本以及二维阵列的可扩展性，已成为数据中心网络和三维传感领域不可或缺的材料。VCSEL 具有高能效，在低偏置电流下能效超过 50%，优于边发射激光器，尤其适用于数据中心网络内的光互连。然而，十多年来，VCSEL 的效率一直没有突破。随着数据中心 AI 集群和自动驾驶 3D 传感的快速发展，VCSEL 成为主流，对超高效 VCSEL 的需求已变得至关重要。四川大学和苏州长光华芯光电技术股份有限公司的研究人员发现了一种基于有源区域内多隧道结的新方法。他们展示了创纪录的 74% 高效率，预计效率将高达 88%。这项突破有可能重塑 3D 传感和数据中心生态系统，提供低成本、节能且可靠的新一代绿色光子学。结构简单且性能卓越，开创了 VCSEL 光子学的新时代，为进一步的研究和创新提供了无限的机会。”
此外，自论文发表以来，该研究成果也受到了国内外学者和权威科技媒体的关注，如MIT科技评论，国际半导体业界著名杂志《Semiconductor Today》，Science X-Phys.org等。
