垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，又名垂直共振腔面射型激光，下文簡稱“VCSEL”），是一種半導體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨立芯片制程，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

一、VCSEL的歷史。

六十多年前的5月（1960年5月），位于美國加州馬里布的休斯研究實驗室（Hughes Research Laboratories）的物理學家Theodore H.Maiman，成功利用合成紅寶石與能突然爆發(fā)出強光的螺旋形閃光管組建了世界上第一臺固態(tài)激光器。自激光器誕生至今這六十多年來，激光技術(shù)的發(fā)展歷程中跨越了諸多里程碑，VCSEL無疑是其中最閃亮的新星之一。

雖然早在1962年就有人提出了制造垂直腔二極管激光器的建議，但直至1977年，才由日本東京工業(yè)大學的Kenichi Iga教授首次提出了制造VCSEL的設(shè)想。Kenichi Iga教授后于1979年使用液相外延技術(shù)（LPE）首次制備了InGaAs/InP材料的VCSEL；由于其具有模式好、閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

圖一：GaInAsP/InP VCSEL截面示意圖

VCSEL的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，VCSEL的蠻荒發(fā)展階段。

在這個階段各個組織機構(gòu)都提出以及嘗試了各種不同結(jié)構(gòu)類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL憑借其諸多優(yōu)點而勝出。1982年，便有Hajime Okuda等人嘗試利用掩埋異質(zhì)結(jié)（buried heterostructure）結(jié)構(gòu)，來降低閾值電流。

1989年，Jack Jewell在美國貝爾實驗室實現(xiàn)了在單顆芯片上集成超過一百萬個VCSEL，這是1980年至1984年間Jack Jewell在Hyatt Gibbs博士指導下完成的博士研究成果。在該研究中，Jack Jewell利用砷化鎵（GaAs）的非線性光學特性制造出了用于光學計算機的全光邏輯門。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結(jié)構(gòu)（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進行進一步的限制。利用這種結(jié)構(gòu)，閾值電流可以降低到225uA。而這種結(jié)構(gòu)就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）結(jié)構(gòu)的原型。

為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區(qū)體積。比較當前的VCSEL與條狀激光器的有源區(qū)體積，可以發(fā)現(xiàn)，VCSEL的V=0.06um3，條狀激光器依然在V=60um3，這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經(jīng)達到了亞毫安級別。

圖二：首個氧化物限制型VCSEL

第二階段：VCSEL的逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)的VCSEL被很快運用到了光通信中。1996年，K.L.Lear等人在前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化，報道了3dB調(diào)制帶寬達到16.3GHz的波長970nm氧化物限制型VCSEL。

由于高的工作電流可以帶來更好的調(diào)制特性，但同時也會相應(yīng)的增加功耗，進而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調(diào)制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰(zhàn)。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數(shù)到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯(lián)阻抗的方式，在0.9mA電流下實現(xiàn)的15GHz調(diào)制帶寬，相應(yīng)的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW，是當時最先進的水平。

利用相同的VCSEL結(jié)構(gòu)，同年，Y-C.Chang等人又實現(xiàn)了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調(diào)制速率的關(guān)系，并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率：當光子壽命接近3ps時，可以使VCSEL的調(diào)制帶寬達到23GHz，同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。

圖三：深氧化層氧化物限制型VCSEL

二、VCSEL的未來

光通信領(lǐng)域?qū)CSEL調(diào)制速率的需求不斷提升，更多挑戰(zhàn)隨之而來。而在2017年，隨著蘋果將搭載VCSEL的Face ID引入智能手機后，中高端智能手機紛紛推出人臉識別系統(tǒng)，使得VCSEL應(yīng)用受到市場高度重視。在中短程激光雷達所需的光源中，VCSEL也可與邊緣發(fā)射激光器（EEL）一爭高下。同時VCSEL應(yīng)用還逐漸延伸至5G通訊、人工智能（AI）系統(tǒng)與智慧家電、汽車自動駕駛等領(lǐng)域。這些新興應(yīng)用促成了如今VCSEL產(chǎn)業(yè)的繁榮景象。

1、用于高速光纖通信

1300nm和1550nm長波長化VCSEL在Gb/s速率光纖通信中有廣闊的市場前景，由于1300nm和1550nm波長VCSEL除具有處于光纖低色散和低衰減窗口的優(yōu)點外，還具有在中長距離高速傳輸方面的優(yōu)越性；

2、用于數(shù)字通信

VCSEL在短距離、大容量并行數(shù)據(jù)鏈路將有巨大應(yīng)用市場。低成本和高性能的VCSEL廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著局域網(wǎng)帶寬需求的提高，需有G比特以太網(wǎng)或高速局域網(wǎng)協(xié)議，VCSEL可作為低成本多模光發(fā)射機；

3、用于光互連

1300nm波長VCSEL是光并行處理、光識別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。VCSEL在光信息處理、光互連、光交換、光計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中可充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景；

4、用于光存儲

VCSEL可用作光存儲讀/寫光源。VCSEL用作CD光盤的光源可以提高存儲密度，光盤讀出系統(tǒng)還可配以分立的外部光電探測器來監(jiān)測發(fā)自光盤的反射光。美國加利福尼亞大學已演示一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盤讀出頭。由VCSEL發(fā)出的CW光束聚焦在光盤上，而經(jīng)擴展的反射光束直接進入VCSEL光腔。在反向偏置下，內(nèi)腔吸收器的功能是作為光電探測器，其產(chǎn)生的光生電流提供一種精確的發(fā)自光盤的光反饋變量。

此外，VCSEL還應(yīng)用在新型照明器、顯示器、激光打印機等。

VCSEL的迅速發(fā)展和固有優(yōu)點已使其成為光電子應(yīng)用中的關(guān)鍵器件，有強大的生命力。近年來，性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研發(fā)，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。相信隨著VCSEL的不斷發(fā)展，它將會獲得越來越多的潛在應(yīng)用。