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[科普]VCSEL

激光二极管（LD）有边发射激光器（LEE）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

VCSEL，垂直腔面发射半导体激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）。VCSEL的具体结构包括：顶部布拉格反射镜、有源层、底部布拉格反射镜、ITO层等。在器件顶部和底部沉积具有高反射率的布拉格反射镜来组成谐振腔，将有助于实现激光的放大与振荡，最终形成垂直腔面的激光发射。

VCSEL结构

随着VCSEL的发展，GaN基的VCSEL逐渐成为热门，如发展GaN基蓝光VCSEL、绿光VCSEL。

1.VCSEL性能优势

VCSEL的出光方向与谐振腔面垂直，其具体性能优势概括如下：

（1）单纵模输出：VCSEL腔长很短，仅为波长量级，纵模间距大，因此在腔内只能有一个纵模发生稳定的振荡，输出光束呈圆形；

（2）波长稳定性好：谐振腔的光学厚度决定VCSEL的发光波长，材料光学厚度由折射率决定，随温度变化很小，所以VCSEL激光器的波长具有良好稳定性，受温度影响小；

（3）光束质量好：VCSEL发射的光斑圆形对称，可以通过设计其结构实现单横模特性，并且得益于这种良好的光束质量，VCSEL能够更高效、低成本地实现光束耦合和光束整形；

（4）易于大规模生产：VCSEL在生产过程中可以实时检测，制备工艺简单，良品率高，封装技术成熟，且工艺可以与LED实现兼容，大大降低了器件的生产成本；

（5）易于二维集成：VCSEL出光方向与衬底方向垂直，能够制作单片集成的二维阵列，集成度高，能够实现高功率输出；

（6）高效能：VCSEL具有较高的发光效率和低的阈值电流，能够在较低的电流和功率下工作，这一特点使得VCSEL在节能和低功耗的应用中具有优势；

（7）调制速度：VCSEL具有较高的调制带宽，可实现高速数据通信。近年来，随着数据中心的需求不断增加，并且VCSEL可满足高容量、低延迟的数据传输需求，其在光纤通信中的应用也不断扩展。

2.应用领域

VCSEL在消费电子、军事、医疗等领域都获得了非常广泛的关注，具体应用包括智能驾驶、视频监控、激光雷达、机器视觉、姿势识别等。VCSEL应用场景主要取决于其发光波段（主要取决于有源区材料），具体情况如下表所示。

VCSEL芯片具有RGB色彩饱和高、像素点尺寸小等特点，可以生产高色彩饱和高分辨率的集成激光显示，且兼备必要的3D扫描技术，例如基于VCSEL的人脸识别解锁技术和屏下指纹解锁技术目前已广泛应用于智能手机上。

由于传统的工业加热设备具有体积较大、启动及加热缓慢、热量控制不精确、效率低等缺点，为了更好地面向智能制造和高端装备需求，可以通过集成大面积的VCSEL阵列实现高功率密度，应用于熔化，焊接，固化，干燥，烧结等加热应用解决方案。

此外，随着智能驾驶被人们所关注，LiDAR（激光雷达）的研发也成为科研界和产业界的一大热点，车规级高功率脉冲VCSEL阵列芯片作为LiDAR（激光雷达）的核心器件，具有非常广阔的市场前景。

3.发展历程

1977年3月，日本东京工业大学的K. Iga教授首次提出VCSEL这一新型激光器原理模型，自此揭开了面发射激光器研究的序幕，此后的四十余年内，VCSEL不断发展，展现出了其独特的潜力和优势，目前已经成为一种实用化、商业化的器件。VCSEL的主要发展历程如下：

  1979年，日本东京工业大学提出采用GaInAsP材料体系，在77K时，首次实现脉冲输出，波长约为1300 nm。

  1985年，日本东京工业大学提出AlGaAs材料体系的阵列结构。

  1988年，日本东京工业大学使用多对SiO2/TiO2介质膜材料周期性排布作为分布式布拉格反射镜(DBR)，在室温下能够连续工作，波长约为850nm。

  1996年，德国乌尔姆大学制备出高功率的980nm的VCSEL，其中顶发射结构功率可达180mW，底发射结构功率可达350mW。

  1998年，日本东京工业技术研究所提出采用GaN材料体系，实现低温下的蓝光脉冲。

  2002年，德国乌尔姆大学提出光子晶体结构，过滤掉高阶模式，实现单模VCSEL输出。

  2003年，美国诺瓦卢公司使用电泵浦的外腔型VCSEL，基横模功率达到0.5 W。

  2005年，奥斯纳布吕克大学使用光泵浦源、II-VI族材料量子阱，实现激光器的绿光输出。

  2008年，日本日亚化学采用GaN材料体系，在室温下，实现连续的蓝光输出。

  2014年，长春光机所采用阵列结构，实现了超210W峰值功率980 nm激光输出。2018年，美国IBM实现了1550nm波段激光器在2 km的单模光纤上的50 Gbps的无误码信息传输。

4.小结

前沿应用对VCSEL的性能需求，未来需要基于新型半导体材料、量子阱优化设计、新型器件结构设计等方面开展进一步的研发，通过降低材料内部的非辐射复合缺陷密度、调制VCSEL中的载流子寿命、提高VCSEL器件的散热能力，实现更高功率、更高速率、更高稳定性的VCSEL技术。

素材来自：1.张保平，宽禁带光电子半导体发展现状及趋势，会议报告；2.公众号：激光评论。