垂直腔面发射激光器

半导体

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

结构

一个激光谐振器是由两面分散式布拉格反射器(DBR)平行于一个芯片主动反应区表面，此反应区是由一到数个量子井所构成，使激光光带存在于其中。一个平面的DBR是由几层不同高低折射率的透镜所组成。每层透镜的厚度为四分之一的激光波长，并给予超过99%的反射强度。为了平衡在VCSEL中增益区域的短轴长，高反射率的透镜是必要的。

在一般的VCSEL中，较高和较低的两个透镜分别镀上了p型材料和n型材料，形成一个接面二极管。在较为复杂的结构中，p型和n型区域可能会埋在透镜中，使较复杂的半导体在反应区上加工做电路的连接，并除去在DBR结构中电子能量的耗损。

VCSEL的实验室使用新的材料系统做研究，反应区可能会因短波长的外光源（通常是其他激光）而被泵。这使得VCSEL可以在不考虑达到良好的电路品质的额外问题下被论证；然而这样的装置对大多数的应用不是实际的。

波长从650nm到1300nm的典型VCSEL是以砷化镓] ( GaAs )和[ [铝镓砷化物] ]（AlxGa(1-x)As）构成的DBR所组成的镓砷芯片为基底。GaAs/AlGaAs系统由于材料的晶格常数在组成有变动时，不会有非常强烈的改变，且允许多个晶格配对复生层成长于砷化镓的底层，所以非常适合用来制造VCSEL。然而，当Al分子增加时，铝镓砷化物的折射率就会变强，与其他系统比较起来，要组成一个有效的布拉格镜，所用的层数就会达到最少。

此外，在铝较集中的部分，一种氧化物会形成AlGaAs，而这种氧化物可以被用来限制VCSEL中的电流，达到低闸值电流的目的。

近来有两种主要的方法来限制VCSEL中的电流，依照其特性分成两种：离子内嵌VCSEL和氧化型VCSEL。

在90年代前期，电子通讯公司较倾向于使用离子内嵌VCSEL。通常使用氢离子H+植入VCSEL结构中，除了共振腔以外的任何地方，用以破坏共振腔周围的晶格结构，使电流被限制。90年代中期，这些公司们纷纷进而使用氧化型VCSEL的技术。氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周围材料的氧化反应来限制电流，而在VCSEL结构内部含铝较多的金属层会被氧化。氧化型激光也常使用离子内嵌的技术。因此在氧化型VCSEL中，电流的路径就会被离子内嵌共振腔与氧化共振腔所限制。

由于氧化层的张力与其他的缺陷，始得共振腔出现“popping off”，因此最初使用氧化型VCSEL时遭遇到了许多困难。然而，经过了多次的测试，证明了VCSEL的realibilty是很完整的。在Hewlett Packard的氧化型VCSEL研究中指出，“压力会造成氧化型VCSEL的活化能与wearout生命周期相似于内嵌式VCSEL所发出的输出能量大小。”

当工业界要从研究和开发转至氧化型VCSEL的生产模式时，也产生了生产上的困难。氧化层的氧化率与铝的含量有非常大的关系。只要铝的含量有些微的变化，就会改变其氧化率而导致共振腔的规格会过大或过小于标准规格。

波长从1300nm至2000nm的长波长装置，至少已经证实其活化区是由磷化铟所构成。有更长波长的VCSEL是有实验根据的且通常为光学泵。1310nm的VCSEL在硅基光纤的最小波长限度中是较为理想的。

特殊型态

特性

因为VCSEL是从集成电路的顶面发出激光光，所以它们被分割成单独的个体以前，可以直接在芯片上测试。这可以节省半导体制作过程中装置的花费及使用。这也允许VCSEL的制作不再只是一维，而可以是二维的排列。

较大的VCSEL输出孔径，与大多数边射型激光比较，产生输出光束的一个较低的发散角，并且使光纤的连线效率更高。

与大多数的边射型激光比较，一个高反射率的镜子减少了VCSEL的闸值电流，造成低功率的消耗。然而至今，VESEL所发射的能量较边射型激光少。较低的闸值电流也允许VCSEL存有高本质的调整带宽。

VCSEL的波长在反应区的获得带中，可以借由调节反射层的厚度而改变。

早期VCSEL的放射光为纵向多模或细丝模式，而现今VCSEL多为单模。

应用

历史

第一个VCSEL是在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu （Soda 1979）所发表，但是直到1988年以前，室温下的等幅波控制未曾被报告。VCSEL这名词是在1987年时，被杜撰于美国光学协会（Optical Society of America）出版物上。如今VCSEL以取代边射型激光而应用在短程的光纤通讯上，如以太网路和纤维通道（Fibre Channel）。

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