垂直腔表面发射激光器

结构

　　VCSEL 主要由三部分组成 (见图1)，即激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须通过崩浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，但这样得到的激光寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多，方向性很差。所以，还必须经过顶部反射镜(Top Mirror)和底部反射镜 ( Bottom  Mirror)组成的谐振腔，在激光腔(Laser Cavity)内放大与振荡，并由顶部反射镜(Top Mirror)输出，而且输 出的光线只集中在中间不带有氧化层(Ox ide LayerS)的部分输 出。这样就形成了垂直腔面的激光发射，从而得到稳定．持续、有一定功率的高质量激光。

特性

　　垂直腔面发射激光器(Vertical—CavitySurface—EmittingLaser，简称VCSEL)及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破。VCSEL与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于芯片表面(见图2)。这种光腔取向的不同导致VCSEL的性能大大优于常规的端面发射激光器。

　　这种性能独特的 V C S E L易于实现二维平面列阵， 而端面发射激光器由于是侧面出光而难以实现二维列阵。小发散角和园形对称的远、近场分布，使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实与多模光纤的耦合效率大于9 0 ％ ； 而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非对称的，因此，很难提高其耦合效率。由于 V C S E L的光腔长度极短，导致纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内得到单纵模工作。动态调制频率高，腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善。如能实现极低阈值甚至无阈值激射，可大大降低器件功耗和热能耗。由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试，它可以实现“在片”测试，这导致工艺简化，大大降低制作成本。此外，其工艺与平面硅工艺兼容，便于与电子器件实现光电子集成。

特点

　　(1)低发敞之圆形雷射光束，易与光纤耦合；

　　(2)具有快速调变功能，利于高速光纤网路传输；

　　(3)元件制技术-jSiIC制类似，适于：产品

　　(4)在元件尚未切割及封装前，整个晶片可用water—leveltesting做每个晶粒特性检测，减低大量生产成本；

　　(5)可做成lD或2Dlaserarrays，利于串接或并列式光纤传输。

应用

　　VCSEL不仅广泛应用于条形码扫描器，而且可广泛应用于电信开关、数据通讯网络、自由空间数据传输、光存储、激光打印机、DVD播放器、安保光屏障、测量设备、光电控制、流体及气体监测、荧光治疗、光复印和荧光检测、眼科学等等。

特殊形态

　　多重反应区域设计（aka bipolar cascade VCSELs）。允许回馈时不同效能量值之间的差异超过100%。

　　通道相接VCSEL：利用通道相接（n+p+），一个对电子有利的n-n+p+-p-i-n结构就可以被建立，且可以影响其他结构的分子。（e.g. in the form of a Buried Tunnel Junction (BTJ)）.

　　可利用机械式（MEMS）调整镜面来广泛的调整VCSEL。

　　"芯片接合"或"芯片融合"VCSEL：利用两种不同的半导体材料可以制造出不同性质的底层。

　　Monolithically光学帮浦VCSEL：两个相叠合的VCSEL，其中一个利用光学来对另一个作帮浦。

　　纵向的VCSEL整合监测二极管：一个光二极管与VCSEL的背面镜子做整合。

　　横向的VCSEL整合监测二极管：利用适当的VCSEL芯片石刻法，一个发光二极管就可以被制造用来测量邻近VCSEL的发光强度。

　　具有外部共振腔的VCSEL，参照VECSEL或是盘雷射半导体disk laser。VECSEL是传统雷射二极管的光学帮浦。这样的设置使装置有更广泛的区域可被帮浦，也因此有更多的能量可被吸收，大约30W左右。外部共振腔也允许了intracavity技术，如频率倍增、单频操作和femtosecond pulse modelocking。

　　垂直共振腔半导体光学扩大器VCSOA。与震荡器不同，这个装置使扩大器更优化。因为VOSOA必须在限制下工作，故会要求减少镜子的反射以达到减少回馈的作用。为了使讯号增至，这些装置会包含大量的量子井（光学帮浦装置已被证实有21-28个量子井），导致讯号的增加量值比典型的VCSEL来的大（约5%左右）。这装置的运作于窄线宽的扩大器（约十几个GHz），且可能可以有增强滤光器的效果。