VCSEL的发展主要经历了哪两个阶段？

据麦姆斯咨询报道，六十年前的5月（1960年5月），位于美国加州马里布的休斯研究实验室（Hughes Research Laboratories）的物理学家Theodore H. Maiman，成功利用合成红宝石与能突然爆发出强光的螺旋形闪光管组建了世界上第一台固态激光器。自激光器诞生至今，已有六十年的历史，激光技术的发展历程中跨越了诸多里程碑，垂直腔面发射激光器（VCSEL）无疑是其中最闪亮的新星之一。

激光器诞生60周年

虽然早在1962年就有人提出了制造垂直腔二极管激光器的建议，但直至1977年，才由日本东京工业大学的Kenichi Iga教授首次提出了制造VCSEL的设想。Kenichi Iga教授后于1979年使用液相外延技术（LPE）首次制备了InGaAs/InP材料的VCSEL；由于其具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点而被广泛应用。

GaInAsP/InP VCSEL截面示意图

VCSEL是一种带有单片激光谐振腔的半导体激光二极管，该谐振腔可沿垂直于芯片表面的方向发射光。谐振腔由两个半导体布拉格反射器组成，中间是带有多个量子阱的有源层。近年来已开发出多种用途的各类VCSEL，VCSEL凭借其独特的性能在应用市场极具优势，例如它们能够在较高温度下运行，而高温可能增加灾难性的小平面失效风险。

VCSEL可应用于如智能手机、光通信、计算机鼠标、气体传感、光学时钟、激光泵浦及其它多种场景。Kenichi Iga教授于2013年荣获了富兰克林研究所颁发的“Bower奖”，和VCSEL概念、发展及其在光电子领域多种应用的“科学成就奖”。

VCSEL的发展主要经历了两个阶段：

第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末，VCSEL的蛮荒发展阶段。

在这个阶段各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL凭借其诸多优点而胜出。1982年，便有Hajime Okuda等人尝试利用掩埋异质结（buried heterostructure）结构，来降低阈值电流。

1989年，Jack Jewell在美国贝尔实验室实现了在单颗芯片上集成超过一百万个VCSEL，这是1980年至1984年间Jack Jewell在Hyatt Gibbs博士指导下完成的博士研究成果。在该研究中，Jack Jewell利用砷化镓（GaAs）的非线性光学特性制造出了用于光学计算机的全光逻辑门。

1994年，Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻层Al氧化物的方式，来对电流进行进一步的限制。

首个氧化物限制型VCSEL

第二阶段：VCSEL的逐渐发展成熟阶段及优化阶段

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点，这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中。1996年，K. L. Lear等人在前人的基础上经过优化，报道了3 dB调制带宽达到16.3 GHz的波长970 nm氧化物限制型VCSEL。

由于高的工作电流可以带来更好的调制特性，但同时也会相应的增加功耗，进而带来温度的上升，会对可靠性带来影响。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战。2007年，Y-C. Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式，在0.9 mA电流下实现的15 GHz调制带宽，相应的功耗只有1.2 mW，带宽/功耗比只有12.5 GHz/mW，是当时最先进的水平。

深氧化层氧化物限制型VCSEL

VCSEL的新发展、新机遇

光通信领域对VCSEL调制速率的需求不断提升，更多挑战随之而来。而在2017年，随着苹果将搭载VCSEL的Face ID引入智能手机后，中高端智能手机纷纷推出人脸识别系统，使得VCSEL应用受到市场高度重视。在中短程激光雷达所需的光源中，VCSEL也可与边缘发射激光器（EEL）一争高下。同时VCSEL应用还逐渐延伸至5G通讯、人工智能（AI）系统与智慧家电、汽车自动驾驶等领域。这些新兴应用促成了如今VCSEL产业的繁荣景象。
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