Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with Monolithically Integrated Metasurfaces
Doctoral thesis, 2026
The vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is a ubiquitous optoelectronic device, for example, powering short-reach communication in data centers and facial recognition. Its claim to fame is its small cavity, which enables low threshold currents, lasing within a single longitudinal mode, and excellent high-speed modulation. However, the small cavity size also implies a significant beam divergence, which means that the VCSEL is typically butt-coupled to a fiber, integrated with microlenses, or packaged with bulky external optics. The latest paradigm of miniaturized beam-shaping optics is called metasurfaces, nanostructures with a thickness similar to the wavelength of light and capable of imparting arbitrary phase profiles and polarization states to an incident beam. By integrating a metasurface directly in the substrate of the VCSEL, its compactness is preserved, thereby eliminating bulky optics and delivering an on-chip, tailored beam.
In this thesis, I present the design and fabrication of single-mode, single-polarization, bottom-emitting VCSELs monolithically integrated with GaAs metasurfaces. These devices are thereafter utilized for miniaturized biophotonic illumination modules. To overcome the aspect-ratio-dependent etching limits inherent to monolithic integration without an etch stop-layer. I demonstrate an unconventional metasurface design capable of shaping the VCSEL emission at exceptionally steep angles (>60°) with high efficiency (>90%). These metasurface-integrated VCSELs enable the realization of a combined dark-field and total-internal-reflection microscopy module, along with a surface plasmon resonance sensor with near state-of-the-art sensitivity, in a new integrable, flat format.
In this thesis, I present the design and fabrication of single-mode, single-polarization, bottom-emitting VCSELs monolithically integrated with GaAs metasurfaces. These devices are thereafter utilized for miniaturized biophotonic illumination modules. To overcome the aspect-ratio-dependent etching limits inherent to monolithic integration without an etch stop-layer. I demonstrate an unconventional metasurface design capable of shaping the VCSEL emission at exceptionally steep angles (>60°) with high efficiency (>90%). These metasurface-integrated VCSELs enable the realization of a combined dark-field and total-internal-reflection microscopy module, along with a surface plasmon resonance sensor with near state-of-the-art sensitivity, in a new integrable, flat format.
surface plasmon resonance
vertical-cavity surface-emitting lasers
metagratings
miniaturized biophotonics
monolithic integration
metasurfaces
Author
Erik Strandberg
Chalmers, Microtechnology and Nanoscience (MC2), Photonics
Flat Plasmonic Biosensor with an On-Chip Metagrating-Integrated Laser
ACS Sensors,;Vol. 10(2025)p. 7670-7678
Journal article
High-angle deflection of metagrating-integrated laser emission for high-contrast microscopy
Light: Science and Applications,;Vol. 12(2023)
Journal article
Buried Subwavelength Gratings for Polarization Pinning of Bottom-Emitting GaAs VCSELs
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,;Vol. 32(2026)
Journal article
Lasrar finns i dag i alla tänkbara material, former och storlekar, men framför allt har en specifik typ tagit stora kliv framåt de senaste åren: vertikalkavitetslasern. Om du har en modern smartphone i fickan bär du med stor sannolikhet på minst ett chip med just sådana lasrar. Vertikalkavitetslasern är en så kallad halvledarlaser, vilket innebär att den skapar ljus med hjälp av egenskaperna hos ett halvledarmaterial. Det fiffiga med detta är att de kan tillverkas med exakt samma metoder som datorkomponenter (processorer och grafikkort). Det medför att lasrarna kan tillverkas i både gigantiska volymer, vilket sänker priset per enhet, och i mycket små storlekar, ungefär lika stora som sandkorn (< 0.1 mm2). För att ljuset från en vertikalkavitetslaser ska vara användbart måste det dock ofta formas. Idag löser man detta genom att montera en mikrolins på lasern, koppla den till en optisk fiber eller använda extern optik. Dessa lösningar är antingen dyra och skrymmande eller begränsade i vilka ljusmönster de kan skapa.
Inom nanofotonik har det under 2000-talet skett en revolutionerande utveckling av optiska komponenter som kallas metaytor. En metayta är en nanostruktur där man, genom att designa mycket små, individuella pelare, kan forma ljus nästan precis som man vill. Den stora fördelen med metaytor är att de är otroligt tunna, i samma storleksordning som ljusets våglängd som man vill forma. Som jämförelse är bredden hos ett vanligt hårstrå (cirka 50–100 mikrometer) ungefär hundra gånger tjockare än en metayta. Utöver sin tunnhet kan metaytor dessutom överträffa klassisk optik för olika tillämpningar.
Genom att integrera en metayta direkt på en vertikalkavitetslaser är det nu möjligt att forma ljuset redan på halvledarchippet. På så sätt bevarar man laserns kompakthet, samtidigt som man får en skräddarsydd ljusprofil för en specifik applikation. Min avhandling behandlar designen och tillverkningsprocessen för just denna nya typ av metayts-integrerade vertikalkavitetslasrar samt hur de kan användas för att skapa platta, integreringsbara belysningsmoduler för miniatyriserad biofotonik.
Inom nanofotonik har det under 2000-talet skett en revolutionerande utveckling av optiska komponenter som kallas metaytor. En metayta är en nanostruktur där man, genom att designa mycket små, individuella pelare, kan forma ljus nästan precis som man vill. Den stora fördelen med metaytor är att de är otroligt tunna, i samma storleksordning som ljusets våglängd som man vill forma. Som jämförelse är bredden hos ett vanligt hårstrå (cirka 50–100 mikrometer) ungefär hundra gånger tjockare än en metayta. Utöver sin tunnhet kan metaytor dessutom överträffa klassisk optik för olika tillämpningar.
Genom att integrera en metayta direkt på en vertikalkavitetslaser är det nu möjligt att forma ljuset redan på halvledarchippet. På så sätt bevarar man laserns kompakthet, samtidigt som man får en skräddarsydd ljusprofil för en specifik applikation. Min avhandling behandlar designen och tillverkningsprocessen för just denna nya typ av metayts-integrerade vertikalkavitetslasrar samt hur de kan användas för att skapa platta, integreringsbara belysningsmoduler för miniatyriserad biofotonik.
Metasurface-Emitting Lasers: Tomorrows Light Sources for Applied Photonics
Knut and Alice Wallenberg Foundation (2020.0119), 2021-07-01 -- 2026-06-30.
Subject Categories (SSIF 2025)
Atom and Molecular Physics and Optics
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Condensed Matter Physics
Areas of Advance
Nanoscience and Nanotechnology
Infrastructure
Myfab (incl. Nanofabrication Laboratory)
DOI
10.63959/chalmers.dt/5934
ISBN
978-91-8103-477-6
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5934
Publisher
Chalmers
Kollektorn, Kemivägen 9
Opponent: Connie Chang-Hasnain, UC Berkley