半导体激光器的光学模式分布及远场发散角是衡量激光输出质量的重要参数，在器件设计、光学系统搭建及光束耦合等方面具有重要的参考价值。近期，天津赛米卡尔科技有限公司的技术团队基于先进的TCAD仿真设计平台开发出了半导体激光器的光学模型数据库，并针对GaN基垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）的光学性能进行了系统的研究与优化。如图1所示，研究结果发现：具有反相层表面浮雕（Anti-phase Surface Relief）结构的布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflection，DBR）设计能够有效地提高GaN基VCSEL的基模输出特性，并减小光束的发散角。

图1.（a）VCSEL R和A1至A3的激光输出功率对比图；（b）至（e）分别为VCSEL A1至A3以及VCSEL R的器件内部光场分布

然而，具有表面浮雕结构的DBR同时会导致器件的输出功率下降。为解决该问题，我司技术团队提出通过调控空穴的注入路径来控制不同模式的增益，最终提升GaN基VCSEL的基模输出功率。如图2所示，当减小GaN基VCSEL的电流注入的孔径尺寸时，VCSEL B2依然能够保持高斯形态的单模激光输出。此外，VCSEL B2有源区内的增益覆盖范围与基模分布重叠率上升，与表面浮雕结构所在范围的重叠率下降，器件基模增益上升，激光器输出功率相应提高。

图2.  VCSEL B1至B3以及VCSEL A2的（a）一维横向光场分布，（b）远场发散角和（c）光输出功率对比图

该成果最近被应用物理领域权威SCI期刊Japanese Journal of Applied Physics收录（Vol. 62, Art. No. 014003, 2023, DOI: 10.35848/1347-4065/acaba0）