近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队揭示了一种新型金属介质薄膜模式滤波器结构，这种结构可以灵活调节垂直腔面发射激光器（VCSEL）中的横向模式，展示了金属孔径在增强VCSEL模式控制方面的潜力。这项研究以“Simulation of Modal Control of Metal Mode-Filtered Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”为题，发表在Sensors期刊上。

传统的氧化物限制型VCSEL在单模运行时，通常会面临串联电阻增大和输出功率低的问题。为了克服这些限制，研究人员提出了一种使用金属孔径的有效模式滤波技术。

研究人员使用COMSOL软件开发了金属模式滤波VCSEL（MMF-VCSEL）的有限元仿真模型。仿真结果表明，MMF-VCSEL的模态控制性能受到P-DBR对数、金属孔径大小和氧化物孔径大小的显著影响。具体来说，当P-DBR的数量较少时，横向光场被强烈地限制在金属孔径内，但随着P-DBR 数量的增加，限制作用减弱。当金属孔径小于氧化物孔径时，光散射效应会随着两个孔径之间距离的减小而增强。

不同氧化物孔径和金属孔径下LP01模式的横向氧化物光学限制因子与金属光学限制因子之比

这增加了模式识别和模式损耗，有利于提高单模稳定性。当金属孔径超过氧化物孔径时，VCSEL中的光学模式主要由氧化物孔径控制。这凸显了金属孔径和氧化物孔径在决定光场限制和模式识别方面的复杂相互作用。

 (a) LP01和 (b) LP11在不同金属孔径和不同数量P-DBR对上的光学限制因子

此外，研究人员还引入了一个新参数--光学增益，它描述了不同横向模式的阈值增益因结构的光学散射而发生的变化。通过平衡不同模式之间的光学增益差异和基本模式的光学增益，他们确定了最佳结构参数，从而提高了MMF-VCSEL的单模稳定性和斜率效率。

 (a) 两个最低阶模的光学增益差异；(b) LP01模式在具有不同数量P-DBR对的不同金属孔径下的光学增益，氧化物孔径为8 μm

这种金属模式滤波VCSEL结构代表了光学模式控制领域的一大进步。通过灵活调制横向模式，研究人员展示了具有改进性能特征的高功率单模VCSEL的潜力。这项研究强调了金属孔径在增强VCSEL模式控制方面的关键作用，为开发具有广泛应用的高性能VCSEL开辟了新途径。