自1977年，日本東京工業(yè)大學的伊賀健一(Kenichi Iga)提出VCSEL的概念開始，VCSEL各個方面的研究到現(xiàn)在均獲得了長足的進展。VCSEL的光學諧振腔與半導體芯片的襯底垂直，能夠實現(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有閾值電流低、穩(wěn)定單波長工作、易高頻調制、易二維集成、無腔面閾值損傷、動態(tài)單模工作、圓形對稱光斑和光纖耦合效率高等優(yōu)點。典型的VCSEL為頂發(fā)射結構。結構示意圖如下圖1所示。 

VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，為互聯(lián)網(wǎng)的需求和光學存儲密度的不斷提高提供了一條新途徑。隨著VCSEL的研究深入以及應用需求的拓展，VCSEL不僅在手機、消費性電子等領域發(fā)揮越來越重要的作用，VCSEL還可以用來進行人臉識別、3D感測、手勢偵測和VR(虛擬現(xiàn)實)/AR(增強現(xiàn)實)/MR(混合現(xiàn)實)等。當然，VCSEL將來也可以大量應用在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、RF元件、ADAS(先進駕駛系統(tǒng))等，所以VCSEL未來應用和市場熱度應該會受到更多的重視。 

尤其是近期蘋果公司宣布iphone 8即將采用VCSEL半導體激光器技術，VCSEL更是引起廣泛關注。業(yè)界認為VCSEL產品進入蘋果產業(yè)鏈不僅是產業(yè)公司業(yè)務的重大突破，更是以VCSEL技術為代表的半導體激光技術在消費領域的重大突破，VCSEL激光器將進入iphone產業(yè)鏈，光器件也將從工業(yè)領域走向消費領域[1]。 

為了滿足市場對各種VCSEL產品的需求，對其性能進行優(yōu)化得到各方研究人員的重視。世界上各大公司也是重點把握住VCSEL市場，及時地制備出各種滿足市場需求的產品，搶占先機。本文將從商用和實驗室研究兩大方面對VCSEL進行概括描述。 

商用VCSEL 

在當下這個VCSEL產品被廣泛需求的時代，世界上各家致力于VCSEL研究與制造的公司均推出了各有千秋的VCSEL產品。本節(jié)重點對Princeton optronics，Vixar，Ⅱ-Ⅵ，F(xiàn)inisar，Philips Photonics、華芯半導體科技有限公司這幾家公司的最新產品進行介紹。 

Princeton Optronics：該公司成立于1993年，一直致力于高效率，低功耗VCSEL器件及模塊尖端技術的研發(fā)，是一家主要從事VCSEL以及基于VCSEL的光學組件和模塊的私營公司。 

在雷達應用領域，公司開發(fā)了波長為808 nm的1 × 8 VCSEL陣列，其準連續(xù)輸出功率(在200ns脈沖寬度、1%占空比的操作條件下)大于300 mW，具有光譜寬度小于1 nm、波長輸出穩(wěn)定、可靠性高和能夠在高達80℃的溫度下工作的優(yōu)點，該產品主要應用在激光雷達、激光制導和無人駕駛汽車方面。 

在紅外照明應用領域，公司開發(fā)了波長為808 nm、850 nm、945 nm、975 nm以及1064 nm的VCSEL器件。其中808 nm的VCSEL陣列最高準輸出功率達800 W，光譜寬度為3 nm。波長為850 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達4 W，具有光譜寬度小于2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點。波長為945 nm的VCSEL陣列最高準連續(xù)輸出功率達8 W，光譜寬度小于1 nm。波長為975 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達100 W，具有光譜寬度小于1 nm、可靠性高、低熱阻(~0.16?C/W)以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點。波長為1064 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達40 W，具有光譜寬度小于2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點。這些器件均可應用于夜間和霧天的輔助駕駛、安全和監(jiān)控攝像機，有些還可應用于醫(yī)療以及固態(tài)激光泵等方面。 

由于VCSEL在紅外照明方面的應用廣泛，該公司還針對具體應用開發(fā)了多種照明器，比如波長為808 nm和976 nm的二維VCSEL照明器件。針對短程監(jiān)控應用，開發(fā)了波長為808 nm和976 nm的緊湊型瓦級照明器模塊,全發(fā)散角約為20?(1/e2值全寬)；

針對諸如爆炸或塵云的不利條件進行檢測的軍事應用，開發(fā)了波長為976 nm的千瓦級照明器，該照明器使用9個高功率VCSEL陣列制作，其中每個陣列的連續(xù)輸出功率都大于1200 W；針對大于200 m長距離范圍的照明，開發(fā)了波長為808 nm的100瓦級照明器。 

在醫(yī)療應用領域，開發(fā)了波長為650 nm的高功率(15 W)紅色激光器件和陣列，這些陣列具有功率轉換效率大于20%、光譜寬度約為1 nm和具有18?發(fā)散角(全角)的圓形光束的特點，可以用于醫(yī)療和照明。除此之外還開發(fā)了兩款波長為688 nm的VCSEL器件，一款為連續(xù)輸出功率為1 mW的單器件VCSEL，另一款為連續(xù)輸出功率為2 W的VCSEL陣列。 

在2015年該公司應用新技術開發(fā)了780 nm，795 nm和850 nm三種波長的單頻VCSEL ，其輸出功率大于100 mW，線寬小于100 kHz，這類VCSEL器件應用于原子鐘。 

Vixar ：該公司成立于2005年，在VCSEL技術研發(fā)與制造方面戰(zhàn)績頗豐，為生物醫(yī)學、工業(yè)、辦公產品、汽車和消費品行業(yè)的傳感器等應用制造波長在650 nm至1000 nm之間的VCSEL。 

在激光測量應用領域，開發(fā)了波長為670~690 nm和830~860 nm的單模VCSEL，連續(xù)輸出功率分別為0.7 mW和1 mW，線寬分別為小于100 MHz和約為50 MHz。 

在數(shù)據(jù)通信應用領域，開發(fā)了兩款VCSEL，一款是波長為670~690 nm的多模VCSEL，連續(xù)輸出功率為3.5 mW，調制速度高達10 Gb/s，光譜寬度為1 nm。另一款是波長為765~780 nm的VCSEL，連續(xù)輸出功率為3 mW，調制速度高達10 Gb/s，光譜寬度為1 nm。 

在低光激光治療應用領域，開發(fā)了波長為670~690 nm的多模VCSEL以及高功率VCSEL陣列，連續(xù)輸出功率分別為6 mW和300 mW，光譜寬度為1 nm。 

在原子鐘應用領域，開發(fā)了波長為790~800 nm和885~905 nm的單模VCSEL，連續(xù)功率均為0.1 mW，線寬分別為小于50 MHz和約為50 MHz。

在手勢識別傳感器、安全紅外照明和3D掃描等應用領域，開發(fā)了波長為830~860 nm的多模VCSEL陣列，公布的VCSEL陣列輸出功率有10 mW, 750 mW, 2 W和10 W，線寬約為1 nm。 

Ⅱ-Ⅵ公司：II-VI激光企業(yè)有限公司是一家全球性的運營和創(chuàng)新公司，2016年初收購了Anadigics公司，主要進行VCSEL的研發(fā)與生產，為業(yè)界提供領先的VCSEL激光解決方案。 

在數(shù)據(jù)通信和光互連應用領域，開發(fā)了波長為850 nm的高速多模VCSEL，光輸出功率為2.5 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Gb/s，滿足了高速數(shù)據(jù)通信的嚴格要求。并且此類VCSEL器件能夠在多橫向模式或單縱向模式下工作，具有低發(fā)散角的圓形對稱光束，使其能夠很有效地耦合到50/125 µm和62.5/125 µm多模光纖中。除了單器件VCSEL，還有兩款波長為850 nm的高速多模VCSEL陣列，一款VCSEL陣列的光輸出功率為2.2 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率為14 Gb/s。另一款VCSEL陣列的光輸出功率為2.5 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 Gb/s。 

在感應應用領域，開發(fā)了波長為850 nm的低功率單模VCSEL器件，輸出功率為1 mW，具有穩(wěn)定的偏振和對稱的圓形高斯光束等特點。除此之外，還有兩款波長為850 nm的高功率VCSEL。一款是單器件VCSEL，輸出功率達到10 mW，具有功耗低、可靠性高和圓形光束的特點。另一款是可擴展的二維VCSEL陣列，在50℃溫度下輸出功率最高達到900 mW，具有功率轉換效率達到35%和可靠性高的優(yōu)點，主要應用于手勢識別。 

還有波長為795 nm的單模VCSEL器件，最大輸出功率為1 mW，線寬小于30 MHz，可應用于原子鐘光學泵浦。 

Finisar ：該公司成立于1987年，近三十年來，他們提供突破性的光學技術和領先的產品，為電訊設備及服務商、光學顯示、安全系統(tǒng)、醫(yī)療器械、環(huán)保設備、航空及防御體系提供光學組件、模塊及子系統(tǒng)。 

在數(shù)據(jù)通信領域，開發(fā)了波長為850 nm的VCSEL，傳輸距離為550 m，數(shù)據(jù)傳輸速率達10 Gb/s，有小于0.6 W的低功率損耗，能夠應用在高速以太網(wǎng)、光纖通道以及高速數(shù)據(jù)連接等方面。 

在感應應用領域，開發(fā)了波長為850 nm的VCSEL，在低電流(7~15 mA)驅動下能夠提供高的輸出功率(1.5 mW)，頻率大于1 GHz。 

在手勢識別和3D相機應用領域，開發(fā)了波長為860 nm的二維VCSEL陣列，在室溫下能夠達到大于500 mW的連續(xù)輸出功率，在窄脈沖(小于10 ns)和低占空比注入(小于1%)條件下，可以達到10 W的峰值功率。此陣列在脈沖工作條件下能夠發(fā)射高斯形光束，并且上升和下降時間小于1 ns。 

Philips Photonics：該公司成立于1891年，是應用于數(shù)據(jù)通信、消費和工業(yè)的VCSEL技術、設計和制造的全球領先制造商。公司擁有非常全面的產品組合，從用于數(shù)據(jù)通信的高速VCSEL到用于安全、監(jiān)控和夜視應用的紅外照明模塊，從用于感測應用的單模VCSEL到用于精確測量速度和距離的智能激光多普勒傳感器。還有為工業(yè)加熱和光泵浦應用提供紅外輻射模塊。 

在數(shù)據(jù)通信應用領域，開發(fā)了高速VCSEL，其中波長為850 nm的VCSEL器件有兩款產品，一款輸出功率為1.5 mW，速度可高達14 Gb/s，調制帶寬為3 DB。另一款輸出功率為2 mW，速度可達到5 Gb/s，調制帶寬為3 DB。除此之外，公司還提供了很多數(shù)據(jù)通信VCSEL陣列，根據(jù)具體要求VCSEL可以具有單?；蚨嗄２僮?，最高達到24 mW的光輸出功率。 

在工業(yè)熱處理的很多應用領域，公司提供了很好的解決方案，將數(shù)十瓦到數(shù)十千瓦的紅外輸出功率聚集到特定的目標區(qū)域，能量強度在傳統(tǒng)的端面發(fā)射激光器和LED之間。該系統(tǒng)是基于高功率VCSEL陣列的模塊組合，模塊簡單并且堅固，能夠很容易地以緊湊方式集成到產品上，公司能夠根據(jù)客戶的特定需求給出量身定制的解決方案。比如應用紅外功率系統(tǒng)制作了準連續(xù)輸出功率為500 W的倒裝發(fā)光泵浦模塊和連續(xù)輸出功率為100 W的正裝發(fā)光泵浦模塊。 

在紅外照明應用領域，開發(fā)的VCSEL器件能夠達到6 W的光功率輸出，具有光譜寬度為2 nm、可靠性高以及功率轉換效率高等特點，主要波長有808 nm、850 nm、940 nm和980 nm。該技術可以應用于監(jiān)控、車牌識別和3D相機等。 

在感應應用領域，開發(fā)了基于飛利浦激光多普勒技術的雙眼激光傳感器產品系列。這些雙眼激光傳感器可以被應用于消費者和專業(yè)產品的輸入設備，例如PC外圍設備，游戲應用和軌跡球設備。該公司開發(fā)的雙眼激光傳感器是第一個也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的3D動態(tài)感應導航傳感器，并且符合1級人眼安全要求。 

國內方面：江蘇華芯半導體科技有限公司于2017年3月2日宣布，其自主開發(fā)的30 G VCSEL芯片已通過客戶測試，并實現(xiàn)規(guī)模量產。該VCSEL芯片完全采用自主創(chuàng)新的專利技術，特別是獨有的納米層精確控制與補償外延技術和芯片BCB平整制程，使得該芯片具備高頻、高溫、高濕以及復雜電磁環(huán)境工作的能力，可大大降低數(shù)據(jù)中心的耗電量。此款850 nm中心波長的VCSEL芯片的主要參數(shù)為：功率大于3.5 mW@6 mA，RMS譜寬小于0.4 nm，閾值電流0.8~1.2 mA，斜率效率0.5~0.7 W/A。 

對于商用VCSEL產品可以將其大體劃分為三個階段，第一階段為在VCSEL發(fā)現(xiàn)之初，由于它的獨特優(yōu)勢比如圓形對稱光斑、閾值電流低、無腔面閾值損傷等，迅速引起了人們的廣泛關注與研究熱潮，也成功地在很多領域取代了邊發(fā)射激光器以及LED的地位；第二階段為發(fā)現(xiàn)了VCSEL易于二維集成的特性，由此使得VCSEL器件的輸出功率得到了前所未有的提高，解決了例如遠距離照明、醫(yī)療應用等很多領域的難題；第三個階段為發(fā)現(xiàn)了VCSEL單器件的可調制性，使其迅速應用在了傳感器等領域。希望在未來可以發(fā)現(xiàn)更多VCSEL到目前為止還未開發(fā)的新性能，使其更好地服務于我們的生活。 

研究領域VCSEL 

自VCSEL概念被提出以來，其各方面的研究受到了各個研究單位的垂青，尤其是如何優(yōu)化其結構性能是一大研究熱點，以下從不同優(yōu)化VCSEL器件結構性能的方式來介紹近幾年來VCSEL的研究現(xiàn)狀。 

VCSEL器件中電流分布的優(yōu)化。中國科學院長春光學精密機械與物理研究對VCSEL研究成果匪淺，Jianwei Zhang等人[9]在2014年報告了波長約為980 nm的高峰值功率VCSE準陣列，在報告中通過優(yōu)化電流分布來提高大孔徑VCSEL的外部量子效率，并且開發(fā)了具有62 W峰值功率的單器件VCSEL作為陣列的基本單元。陣列采用4個高功率 VCSEL單管串聯(lián)連接，尺寸為2.2 mm × 2.2 mm，在30 ns和5 kHz脈沖條件下，當電流為110 A時，輸出功率大于210 W。 

高世杰等人]在2016年通過優(yōu)化波長為980 nm的VCSEL單元器件結構，有效抑制了寬面VCSEL結構中的非均勻電流分布，提高了單元器件的斜率效率，獲得了直徑為400 µm，峰值輸出功率為62 W的VCSEL單元器件。在此基礎上，研制出由單元器件組合封裝而成的VCSEL“準列陣”子模塊以及集成驅動電路的微型化VCSEL脈沖激光光源，該光源在脈沖驅動條件為30 ns，2 kHz，105 A條件下的峰值輸出功率達到226 W，光脈沖寬度35 ns，中心波長979.4 nm，斜率效率達到2.15 W/A。 

VCSEL器件中DBR的優(yōu)化。張金勝等人在2014年為了實現(xiàn)波長為808 nm VCSEL的高功率輸出，對VCSEL的DBR結構材料進行了優(yōu)化設計，分析了AlxGa1−xAs材料中Al組分對于折射率與吸收的影響，并最終確定了DBR的高、低折射率材料為Al0.2Ga0.8As和Al0.1Ga0.9As，P面DBR對數(shù)為23對，N面DBR對數(shù)為39.5對。采用非閉合環(huán)結構制備2 × 2 VCSEL列陣。通過波形分析法對VCSEL列陣的功率進行了測量:在脈沖寬度為20 ns、重復頻率為100 Hz、注入電流為110 A的條件下，最大峰值功率為30 W，在脈沖寬度為60 ns、重復頻率為100 Hz、注入電流為30 A的條件下，最大功率為9 W。 

Holger Moench等人在2014年也對DBR進行了優(yōu)化設計，使808 nm高功率VCSEL陣列的輸出

功率和輸出效率均得到了提高，研究表明VCSEL性能的優(yōu)化，可以通過平衡DBR反射鏡各層中的電光損耗來實現(xiàn)，因為反射鏡必須滿足矛盾的要求：一方面，它們應當具有良好的電導來達到低電阻，這就要求提高摻雜來。另一方面，由于反射鏡位于激光器的光路中，所以它們應當具有最小的光吸收損耗，這就要求在反射鏡中低摻雜。他們在電和光損耗的平衡之后選擇DBR對數(shù)的最佳數(shù)量，N面DBR對數(shù)為41對，P面DBR對數(shù)為20對，測試結果表明優(yōu)化后的808 nm正裝發(fā)射VCSEL最大輸出功率增加了1.7倍，最大電光效率已經(jīng)從30%提高到46%。 

VCSEL器件中量子阱增益及腔模位置等材料結構參數(shù)的優(yōu)化。張星等人在2016年報道了自行研制的波長為894 nm的VCSEL以及基于此類器件的芯片級銫原子鐘系統(tǒng)的應用實驗結果，他們根據(jù)芯片級銫原子鐘對VCSEL在特定高溫環(huán)境下產生894.6 nm線偏振激光的要求，對器件的量子阱增益及腔模位置等材料結構參數(shù)進行了優(yōu)化，確定增益–腔模失諧量為−15 nm，使器件的基本性能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，研制的VCSEL器件指標為：20~90℃溫度范圍內閾值電流保持在0.20~0.23 mA，0.5 mA工作電流下輸出功率大于0.1 mW；85.6℃溫度環(huán)境下激光波長894.6 nm，偏振選擇比59.8:1；采用所研制的VCSEL與銫原子作用，獲得了芯片級銫原子鐘實施激光頻率穩(wěn)頻的吸收譜線和實施微波頻率穩(wěn)頻的相干布居囚禁譜線。 

VCSEL器件的新型結構。Mohammad Yazdanypoor等人在2014年提出了一種具有多氧化物層結構的新型VCSEL，這種新型結構的VCSEL設計了4個氧化層并且氧化層的孔徑大小和厚度均不相同，具有12 mW單模光輸出功率和0.7 mA閾值電流，表明了該種結構可以實現(xiàn)更高的單模光輸出功率。 

X.Yang等人在2015年報道了小尺寸單模無氧化層的VCSEL，該結構實現(xiàn)高性能的關鍵是控制光刻和消除氧化層能夠減小熱阻、電阻以及內部應力，尤其是比常規(guī)VCSEL更加容易控制發(fā)光孔經(jīng)的大小，其在單模輸出時具有高的功率轉換效率，測試結果表明，當發(fā)光孔徑為2 um時，能產生8 mW的單橫模功率, 功率轉換效率達到46%，斜率效率大于73%，閾值電流低至300 µA。當發(fā)光孔徑為1 µm時，能產生大于5 mW的單模功率，功率轉換效率達到37%，斜率效率大于79%，同時這種器件還具有低結溫的優(yōu)勢。此類VCSEL器件可用于高速光互連和高功率陣列以及需要單模操作的傳感器等一系列應用。 

長春理工大學的馮源等人在2014年設計并制備了一種波長為980 nm新型內腔接觸式結構VCSEL，這種新型結構的設計是從降低等效電阻方面進行考慮，把P面電極設計成內腔接觸式結構，在出光孔徑為16 µm時，同時制備傳統(tǒng)結構和新型結構兩種器件并對其進行測試，傳統(tǒng)結構VCSEL的閾值電流為11.5 mA，當注入電流為34 mA時，最大輸出功率達到7.3 mW；新結構器件的閾值電流為9 mA，當注入電流為35 mA時，最大輸出功率達到10.2 mW；新結構的閾值電流降低了21.7%，最大輸出功率提高了28%。結果表明，采用這種新型內腔接觸式結構能夠降低體電阻，提高輸出功率，進而可改善VCSEL的光電性能。 

VCSEL器件其它方式的性能優(yōu)化。Kai-Lun Chi等人在2014年對波長為850 nm的單模VCSEL陣列進行了研究,他們通過使用具有適當陣列間距的Zn擴散孔，已經(jīng)同時實現(xiàn)了具有高連續(xù)功率140 mW和窄發(fā)散角5?的圓形對稱圖案。 

Yuta Aoki等人[19]在2014年報道了質子注入型倒裝高功率VCSEL陣列，該陣列集成了635個VCSEL單管，每個單管VCSEL在持續(xù)工作下的輸出功率達到了380 mW，這些VCSEL單管由質子注入限定并在5 mm × 5 mm正方形中以175 µm間距的緊密排列，在準連續(xù)波的工作模式下該陣列實現(xiàn)了超過200 W的輸出功率，這個結果說明質子注入在大功率VCSEL陣列制備上有很高的應用前景。 

蔡麗娥等人在2016年利用金屬有機物氣相沉積技術(MOCVD)在(0001)藍寶石襯底上生長了GaN

基VCSEL的多量子阱腔層結構，X射線衍射測量顯示該多量子阱具有良好周期結構和平整界面，運用鍵合及激光剝離技術將該外延片制作成VCSEL，頂部和底部反射鏡為極高反射率的介質膜DBR。在室溫、紫外脈沖激光的泵浦條件下，觀察到了VCSEL明顯的激射現(xiàn)象，峰值波長位于447.7 nm，半高寬為0.11 nm，自發(fā)輻射因子約為6.0 × 10−2，閾值能量密度約為8.8 mJ/cm2。 

Hai-Han Lu等人在2016年提出了一種基于56 Gb/s LiFi (Light Fidelity可見光無線通信)傳輸技術，該技術使用VCSEL發(fā)射源，能夠在20米的自由空間鏈路上實現(xiàn)低誤碼率的、清晰的3維視圖，這種創(chuàng)新性的技術在未來無線基礎設施中將會發(fā)揮更大更重要的作用，進而有效的提高傳輸速率以及自由空間的傳輸距離。 

張巖等人在2017年發(fā)表的文章中表明，他們設計并制備了波長為795 nm的單模VCSEL，根據(jù)對VCSEL的光場和模式的分析和計算結果，采用MOCVD技術生長了外延結構，制備了不同有源區(qū)直徑的氧化限制型VCSEL芯片并進行了測試。當有源區(qū)直徑從6 um減小到3 um時，VCSEL芯片的邊模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB，閾值電流由0.77 mA減小到0.35 mA。有源區(qū)直徑為6、5、4和3 um的VCSEL芯片的輸出功率分別為0.37、0.46、0.58和0.44 mW，有源區(qū)直徑為4 um的VCSEL芯片的遠場為圓形光束，發(fā)散角為15?，85℃時3.5 um有源區(qū)直徑的VCSEL芯片輸出功率為0.125 mW，激射波長為795.3 nm，室溫3 dB帶寬大于8 GHz，滿足了銣原子傳感器對VCSEL單模光譜、輸出功率及調制速率的要求。 

結論 

隨著市場對VCSEL的需要日益多樣化，國內外各大公司以及研究機構均是順應潮流對其進行深入研究，優(yōu)化VCSEL性能以及提高輸出功率。相信在不久的未來，VCSEL將會有更好的發(fā)展，為我們的生活提供更多的便利。