导读

在光学相干断层扫描（OCT）、激光雷达（LiDAR）与波分复用的无源光网络（WDM-PON）等前沿应用中，传统MEMS-VCSEL的瓶颈源于其机械与光学设计的割裂。以热驱动器件为例，其调谐速度受限于热惯性，通常需要数毫秒完成一次波长扫描，无法满足OCT实时成像的需求。而静电驱动器件虽能实现微秒级响应，却因悬臂结构的高阶机械共振模式引发波长抖动，导致成像噪声增加。更关键的是，传统可调谐激光器在宽波长调谐范围内难以平衡调谐速率与光束质量，光束质量随调谐过程劣化，例如发散角超过30°、光斑偏离高斯分布，严重限制了光纤耦合效率和系统信噪比，迫使系统增加复杂的光路设计，推高成本与体积。

北京工业大学关宝璐教授研究团队通过超跨度悬臂共振微机械与半导体腔-空气腔协同设计，实现了1060 nm VCSEL 34.41 nm连续无跳模调谐、8.65°最小发散角的单模激光输出。首先，通过105°超跨度悬臂结构，有效抑制了高阶机械共振模式。这种设计在确保输出波长稳定性的前提下，同时静电驱动电压仅需13 V，兼顾了速度与能耗。悬臂与反射镜区域通过引入圆形应力隔离孔洞，确保调谐过程中反射镜的平整度，实现调谐全周期的波长稳定性。光学方面，团队采用半导体腔主导（SCD）结构，优化空气间隙至3λ/2周期并限定氧化孔径为6 μm，使得激光阈值电流低至1 mA，边模抑制比全程超过40 dB，实现了34.41 nm的连续无跳模调谐。为进一步提升光束质量，对谐振腔的整体设计，将高阶模（如LP11）限制在20%以内，远场光斑接近理想高斯分布，最小发散角压缩至8.65°，极大提升光传输耦合效率，同时显著简化了光路设计。

图1. (a) HI MEMS-VCSEL 示意图。(b) MEMS 制备过程。(c) 不同悬臂梁的驱动膜。(d) HI MEMS-VCSEL 的SEM图像和实物图像

图2. (a) 直流/交流电压操作的光谱。(b) 不同操作电压下的远场轮廓组合。(c) 不同操作电压下的光束发散角θ和等效曲率半径Ro。(d) 在相同测量位置，不同操作电压下的远场图案

【论文信息】

标题：Heterogeneous integration, single-mode MEMS-VCSEL with super-span resonance filtering, small divergence angle, and Gaussian distribution

期刊：Optics Express (2025)

编辑 | 徐睿

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