紫外/蓝绿光及全波段 GaN VCSEL

短波长VCSEL

短波长波段VCSEL主要指工作在400~700nm范围内的激光器，该波长范围也称为可见光VCSEL。包括红、蓝、绿三种类型。

红色VCSEL使用的是铝镓铟磷（AlGaInP）材料，已经广泛应用于各种场景，这类VCSEL以其体积小、功耗低、光束质量高的特点，成为新一代显示和传感设备中的理想光源。其独特的设计允许在高电流驱动下有效限制光输出，确保安全性，尤其适用于智能眼镜等需要直接投射到视网膜的显示设备。

而蓝色、绿色VCSEL普遍使用氮化镓（GaN）材料。GaNVCSEL在显示、可见光通信和生物医疗等方面有极大的潜在应用，这种VCSEL由两层半导体镜-分布式布拉格反射器(DBR)构成，中间隔着有源GaN半导体层，形成了一个光学谐振腔。这个谐振腔的长度，对于激光波长的精确控制至关重要。谐振腔LED(RCLED)、micro-LED、以及VCSEL，目前已成功实现蓝紫光、蓝光、绿光器件的电注入激射，并且实现了深紫外波段UVCVCSEL的光泵浦激射。

迄今为止，已经探索出了两种GaN基VCSEL结构，一种是底部电介质DBR，另一种是底部AIInN/GaNDBR。这两种结构都展现了出色的性能，VSCEL的光输出功率超过20mW，壁塞效率(WPE)更是高达10%以上。然而，AllnN/GaNDBR的截止波长带宽相对较窄，这在一定程度上限制了VCSEL发出光的波长范围。致力于将壁插效率提升至40%左右的更高水平，以推动氮化镓基VCSELS在更多领域实现广泛应用。

在移动显示设备领域，短波长VCSEL成为智能眼镜和可穿戴设备的理想光源，特别是在需要紧凑设计和长电池寿命的虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）应用中。VCSEL的高集成能力允许在有限的空间内实现复杂的光学系统，同时，其高效率有助于减少热量产生，延长设备的使用时间。

在汽车照明领域，短波长VCSEL技术的应用提供了高亮度、高效率和紧凑尺寸的光源，这些光源能够实现快速响应和智能控制，如自适应前照灯系统，以适应不同的驾驶条件。VCSEL的精确光束控制能力允许定制光束模式，增强夜间驾驶的安全性，同时，其耐用性和可靠性减少了维护需求。

未来，短波长VCSEL技术的进步有望提高全球定位系统（GPS）等定位系统的精度。这是因为基于GaN的VCSEL能够在紫外线区域发光，并且可以使用它来创建高精度时钟。

在GPS和其他定位系统中，地面站从卫星上的原子钟接收时间信息，并根据时间差计算与每颗卫星的距离以获取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站时钟的精度，未来就有可能将GPS定位精度从几米提高到几毫米。获得更精确的位置信息将为开发全新应用提供机会。

中波长VCSEL

中波长波段VCSEL通常指发射波长在850nm至1550nm之间的半导体激光器。自1988年首次研制成功以来，850nm、980nm和780nm波长的VCSEL逐步实现商业化，并广泛应用于光通信、光学传感、3D传感等领域。

基于砷化镓（GaAs）材料的中波长VCSEL技术相对成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且产业链完善，成为主流选择。随着波长增加到1550nm，材料体系会转向锑化铟镓（InGaAs），这类材料虽然成本较高，但能够提供更长的波长和更好的视网膜安全性。

尽管基于GaAs的VCSEL技术已相当成熟，目前能实现的最长波长约为1100nm，但业界正在努力扩展至1380nm或更长波长，以应用于面部识别、底部发光（BOLED）和LiDAR技术等领域。

2021年，公司开发了一种基于稀散氮化物（InGaAsN）的技术，该技术每个发射器提供约1mW功率，仍采用GaAs材料，具备与短波长VCSEL相同的设备和工艺兼容性。

此外，短波长红外（SWIR）技术在智能手机和AR/VR设备中显示出潜力，能够增强3D传感、深度感应和眼动追踪功能。

长波长VCSEL

长波长VCSEL通常指工作波长在1300nm至1550nm范围内的激光器。1300nm和1550nm的长波长VCSEL由于处于光纤的低色散和低衰减窗口，还具有在中长距离高速传输方面的优越性，1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。特别是在光信息处理、光互连、光交换、光计算和神经网络等应用领域，VCSEL能够充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势，展现出巨大的应用潜力和发展前景。

最初，使用GaInAsP/InP材料作为有源区的红外VCSEL实现了1300nm的发射波长。波长为1300nm的VCSEL的有源区现在主要采用GaInAs/GaAs材料，这种材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性，使其成为长距离光通信和并行光互连系统中的关键器件。

当波长达到1550nm时，VCSEL的有源区材料则主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等，这些材料的VCSEL在1550nm波段损耗低，常与单模光纤配合使用，非常适合应用于高速长距离的光通信系统。

从2018年开始，智能手机中的3D传感、汽车应用的激光雷达开始大规模使用长波长VCSEL阵列，为了在显示屏下实现集成传感，使用的VCSEL波段从940nm逐步过渡到1380nm。

为了实现这个目标，企业研发使用多种手段，包括使用稀氮化物材料，从GaAs转向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。苹果公司曾尝试在iPhone14Pro版本中使用基于InP-EEL的接近传感器，但其成本是使用GaAs-VCSEL接近传感器的十倍以上，且模块的制造和封装难度更大。

因此，在iPhone15中，苹果公司回归到了基于GaAsVCSEL的接近传感器。

另一方面，随着对长波长VCSEL需求的增加，相关晶圆的需求量也随之增长，这推动了从4英寸晶圆向6英寸晶圆的转变。

4英寸晶圆每片可提供约4000个VCSEL，而6英寸晶圆的产量约为10,000个VCSEL阵列，足以满足每年数百万部智能手机的生产需求。然而，这一转变需要新的设备和可能的新衬底技术，期待未来的表现。

来源李尚雯

审核编辑 黄宇