VCSEL技术简介
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种半导体激光二极管，它发射的光垂直于晶圆表面，而不是像传统边发射激光器那样从边缘发射。自20世纪90年代商业化以来，VCSEL凭借其紧凑的尺寸、低功耗、优异的光束质量和可扩展性，已经改变了多个行业。
如今，VCSEL技术已广泛应用于数据通信、传感、消费电子、工业自动化、汽车激光雷达和生物医学设备等领域。随着全球对更快数据传输和更高精度光学传感的需求不断增长，VCSEL正成为现代光子系统的基石。
本文对VCSEL进行了深入、全面的解释，涵盖了其工作原理、结构、主要优势、应用和未来展望。
什么是VCSEL？
垂直腔面发射激光器是一种半导体激光器，其光学腔相对于晶圆表面垂直放置。光从顶面发射，这使得器件可以直接在晶圆上进行测试和大规模阵列制造。
VCSEL 通常在近红外光谱范围内工作，最常见的波长为850 nm、940 nm 和 980 nm，尽管红色和短波长 VCSEL 的发展仍在进行中。
VCSEL的基本结构
VCSEL的结构与边发射激光器有着本质区别。其主要组成部分包括：
1. 活动区域
有源区包含量子阱，电子-空穴复合会在量子阱中产生光子。有源区的厚度仅为几微米，这有助于缩短腔长。
2. 分布式布拉格反射器（DBR）
两个高反射率的反射镜——顶部和底部分布式布拉格反射镜（DBR）——构成了表面发射激光腔。这些反射镜由多个折射率不同的交替半导体层组成，反射率超过99%。
3. 电流注入层
电流垂直注入器件，以激发有源区中的光子发射。
4. 氧化物或离子注入孔径
这种结构限制了电流模式和光学模式，提高了效率和光束质量。
VCSEL的工作原理
VCSEL 的工作原理遵循标准激光工艺：
- 电流注入会激发活性区中的电子。
- 受激辐射是指受激电子与空穴复合时发生的现象。
- 光子在DBR 镜之间垂直反射，从而放大光线。
- 相干激光束垂直于晶圆表面射出。
较短的腔长使得单纵模运转成为可能，从而有助于实现稳定的波长和窄的线宽。
VCSEL技术的关键优势
与传统的边发射激光器、激光二极管和其他光源相比，VCSEL 具有以下几个优势：
1. 低功耗
VCSEL 在低阈值电流下高效运行，使其成为电池供电设备和大规模部署的理想选择。
2. 圆形、低发散光束
自然的圆形输出光束简化了光耦合，减少了对复杂光束整形光学器件的需求。
3. 晶圆级测试
与边发射激光器不同，VCSEL 可以在切割前进行测试，从而显著降低制造成本并提高良率。
4. 高可靠性和长寿命
VCSEL 具有优异的热稳定性和可靠性，其工作寿命通常超过数百万小时。
5. 可扩展数组
VCSEL 可以制成一维或二维阵列，从而实现高光功率和先进的传感功能。
VCSEL 与边发射激光器
| 特征 | VCSEL | 边发射激光器 |
|---|---|---|
| 发射方向 | 表面法线 | 边缘发射 |
| 光束形状 | 圆 | 椭圆形 |
| 测试 | 晶圆级 | 劈开之后 |
| 功率缩放 | 通过数组 | 有限的 |
| 包装成本 | 降低 | 更高 |
虽然边发射激光器和激光二极管在高功率和远距离电信应用中表现出色，但表面发射 VCSEL 在短距离、大批量和传感市场中占据主导地位。
常用VCSEL波长和材料
VCSEL的性能取决于半导体材料体系：
- 850纳米垂直腔面发射激光器（VCSEL）：基于砷化镓（GaAs）的激光器，广泛应用于数据中心。
- 940纳米垂直腔面发射激光器：广泛应用于3D传感和激光雷达
- 980 nm VCSEL：用于泵浦和传感应用
- 红色垂直腔面发射激光器（650–690 nm）：可见光应用领域的新兴产品
每个波长范围都满足特定的光学和系统级要求。
VCSEL 的主要应用
1. 数据通信和光互连
VCSEL（垂直腔面发射激光器）是短距离光通信，特别是数据中心和高性能计算领域的一项核心技术。VCSEL 工作波长为 850 nm，与多模光纤配合使用可实现以下功能：
- 10G、25G、50G 和 100G 以太网链路
- 低延迟和高能效
- 紧凑型光收发器（SFP、QSFP）
它们支持并行光通道的能力使它们成为扩展带宽的理想选择。
2. 三维传感和人脸识别
VCSEL阵列广泛应用于结构光和飞行时间（ToF）三维传感系统中。主要应用包括：
- 智能手机面部识别
- 手势识别
- 增强现实和虚拟现实（AR/VR）
VCSEL 提供精确、均匀的照明模式，这对于精确的深度映射至关重要。
3. 汽车激光雷达和高级驾驶辅助系统
在汽车领域，VCSEL（垂直腔面发射激光器）在激光雷达（LiDAR，光探测和测距）系统中的应用越来越广泛，例如：
- 高级驾驶辅助系统（ADAS）
- 自动驾驶汽车
- 目标检测和测距
与边发射激光器相比，VCSEL阵列具有更高的眼部安全性、可靠性和可扩展性。
4. 工业传感与自动化
VCSEL在工业环境中用于：
- 接近传感器
- 光学编码器
- 机器视觉
- 精密距离测量
其稳定的波长和快速调制支持高速、高精度的传感。
5. 生物医学和医疗保健应用
在生物医学仪器领域，VCSEL 可实现以下功能：
- 光学相干断层扫描（OCT）
- 脉搏血氧饱和度测定
- 流式细胞术
- 医学影像与诊断
VCSEL 体积小巧、发热量低，因此适用于便携式和可穿戴医疗设备。
VCSEL的性能特征
工程师在选择VCSEL时考虑的关键参数包括：
- 输出功率
- 阈值电流
- 斜率效率
- 光束发散
- 调制带宽
- 波长稳定性
现代 VCSEL 可实现超过 25 GHz 的调制速度，支持高速光链路和先进的传感应用。
热管理和可靠性
热性能对VCSEL的运行至关重要。先进的设计包括：
- 高效散热层
- 优化的DBR结构
- 改进的包装材料
这些创新提高了可靠性，减少了波长漂移，并确保在温度变化下性能稳定。
VCSEL制造和封装
VCSEL制造利用了成熟的半导体制造工艺，包括：
- 分子束外延（MBE）
- 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
- 晶圆级封装
这使得能够以严格的公差进行大批量生产，从而支持在消费品和工业市场进行经济高效的部署。
VCSEL技术的未来发展趋势
VCSEL的未来发展取决于对速度、效率和集成度日益增长的需求：
- 用于激光雷达的高功率VCSEL阵列
- 用于传感和光谱学的长波长VCSEL
- 与硅光子学的集成
- 人工智能驱动的光学传感系统
- 在智能设备和物联网中的应用日益广泛
随着光子集成技术的进步，VCSEL 仍将是下一代光学系统的关键推动因素。
结论
垂直腔面发射激光器（VCSEL）和激光二极管是现代光子学中最通用、最具影响力的表面发射激光技术之一。其独特的垂直发射结构、低功耗、可扩展性和高可靠性使其在从数据通信到汽车激光雷达和生物医学诊断等各个行业中都不可或缺。
随着技术的不断发展，VCSEL将在实现更快的数据传输、更智能的传感和更紧凑的光学系统方面发挥更加重要的作用。其经久不衰的价值确保了VCSEL技术在未来几十年内仍将是全球光子学生态系统的基础组成部分。
