VCSEL的发展

　　虽然早在1962年就有人提出制造垂直腔二极管激光器的建议，但直到1977年才由日本东京工业大学的Kenichi Iga教授为首的研究小组**提出制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)的设想。当时他们的想法主要是通过采用缩短腔长的办法来获得稳定的动态单纵模工作的半导体激光器，以提高光通信的能力。

　　但由于这种激光器的单程增益长度极短，激射条件十分苛刻，因此该研究工作长期停滞不前，直到1979年Iga小组才率先发明了世界上**支垂直腔面发射激光器。这个时期的VCSEL采用的是液相外延(LPE)技术，以InGaAsP/InP为材料在77K°下的脉冲激射工作。1983年实现了以GaAs/GaAlAs为材料，但仍然是脉冲激射工作。77K°下阈值电流350mA，室温下阈值电流1.2A。1985年使用分子束外延生长(MBE)VCSEL，使脉冲工作下的阈值电流降为150mA。1988年**实现了波长为0.86mm的GaAs/GaAlAs系列VCSEL的室温连续工作，阈值电流低于1mA。此后，VCSEL的潜力才得到人们的广泛认识，进而发展十分迅速。1991年实现了波长为0.98mmGaAs/InGaAs系列的VCSEL室温连续工作，1993年实现了1.3mm的InGaAsP/InP的VCSEL的室温连续工作，同年夏天实现了0.67mm室温连续激射。1994年实现了1.55mm的InGaAsP/InP的VCSEL的室温连续工作，同年，蓝绿光的垂直腔面发射激光器已经引起人们的注意。1999年，日本东京大学和德国维尔兹堡大学的研究人员报道了室温下从光泵InGaN垂直腔面发射激光器二维列阵中获得蓝光发射(399nm波长)。这种器件的列阵可望大大降低高密度光学存储器的读出时间。

　　而在同一年，桑迪亚国家实验室利用反传导耦合，研究制作了发射868nm波长的两个强烈耦合锁相列阵垂直腔面发射激光器(具有同相发射)，这一发展为以不同衍射极限光束质量的高功率垂直腔面发射激光器为基础的发射器铺平了道路。2000年，圣巴巴拉加州大学研究小组发展了**个室温运转、输出波长为1.55mm的电抽运，全晶格匹配、砷锑化合物单块垂直腔面发射激光器，室温下阈值电流为7mA，高温时(45℃)阈值电流1.55mA。在未来的几年里，随着宽带隙材料(如GaN，ZnSe)的研究，垂直腔面发射激光器将会得到很大的发展。

　　我国在VCSEL方面的研究也得到了很快的发展。1996年吉林大学实验区集成光电子联合国家重点实验室与中科院长春物理所联合研制设计了一种钨丝掩膜质子轰击与选择腐蚀相结合的新结构H型垂直腔面发射激光器。经过实验，已实现脉宽为20ms,占空比为1：10的脉宽电流条件下的室温激射，*低阈值电流为20mA，*大输出功率为2mW，激射波长为878nm。这种激光器，工艺简单，器件成品率高，便于工业化生产。1997年，他们又利用钨丝掩膜质子轰击工艺制造出一种室温条件下可连续工作的可见光VCSEL，激射波长为650nm，未装在热沉上时连续工作*大输出功率为85mW，阈值电流3.75mA。1998年中科院半导体所集成光电子国家重点实验室，林世鸣研究员率领的实验小组，使用自己生长的结构片，研制了红光垂直腔面发射激光器，实现了室温连续激射阈值电流为0.25mA，波长为660nm，为当时此类激光器的*低报道值。目前，我国很多**大学及研究所(如吉林大学，中国科学院半导体所等)正基于对VCSEL各方面特性的研究。我国在垂直腔面发射激光器的研究与制备方面会有迅猛的发展。

VCSEL的优点

　　垂直腔面发射激光器是相对于边缘发射激光器(EEL)而言的。VCSEL的腔垂直于结平面，光束在垂直方向传导，因此称之为垂直腔面发射激光器。

　　与边缘发射激光器相比，垂直腔面发射激光器有它独特的优点：
1. 谐振腔体积很小，易于产生微腔效应，实现极低的阈值电流激射(在理论上能实现零阈值)。
2. 谐振腔比较短，在很宽的温度和电流范围内，都易于实现动态单纵模工作，动态调制频率高。
3. 有源区截面呈方型或圆对称型，其基摸是高斯分布，光束既窄又圆，方向性好，同时由于多层布拉格反射器(DBR)的影响，容易实现激光输出，使远场发散角较小，易于与光纤耦合。
4. 出光方向垂直于衬底平面，它的排列形式为面阵形式，以实现光集成，因此特别适合于平行光互联和信息处理。
5. 器件截面积及管芯都很小，可实现高密度集成，还可制作锁相阵列。
6. 由于VCSEL不是通过解理腔工作的，且体积很小，易于实现大规模激光阵列及光电集成，同时可对衬底进行整体加工和检测，制作工艺简单，制作成本低。

VCSEL的结构

　　垂直腔面发射激光器有很多种结构，如金属镜面结构、外延多层布拉格反射器(DBR)结构、介质镜面结构、空气柱折射率导引结构、离子注入导引结构、无源反波导区结构、钨丝轰击结构、倒台面结构、湿法氧化结构，桥结构等等。实质上，其主要结构分为两部分：中心是有源区，它有体异质结和量子阱两种结构；其侧相结构有增益导引和环形掩埋异质结之分。有源区上下是反射器。下面主要以半导体MQW DBR结构的VCSEL来介绍一般VCSEL结构。

　　如图1所示，VCSEL的基本结构是对称的，光轴是半导体晶体外延生长方向，光和电流方向是平行的。位于有源区上下层的两个反射镜分别是由p型和n型DBR堆组成的布拉格反射器，有源区由多量子阱组成，常见的有圆形、方形、和环形结构，分别在衬底和p型DBR上制成一个圆形光输出窗口。可采用顶端或底端输出，输出近圆形的激光束，以便汇聚成细光束。圆形模式易于与光纤耦合。

VCSEL的应用及发展方向

　　由于VCSEL可批量生产，性能高，易于检验与封装，成本低,在与光纤耦合上VCSEL必将与边缘发射激光器产生激烈的竞争。随着光互联及二维光信息处理的发展，微小尺寸，极低功耗和高集成度激光器阵列的需求将日益增长。VCSEL正具有高密度、高传输率高平行光传输和易于进行二维空间组合的特点，是理想的集成光电子学有源器件和空间光学以及光计算机并行处理的器件。VCSEL的高速响应，使其在波分复用(WDM)光纤通信、计算机中的芯片光互连和自由空间光互连等方面有着广泛的应用前景。

　　早期的VCSEL都是用AlGaAs/GaAs系列材料发射850nm波长的短波长激光器(现在在市场上仍然占主导)，对光通讯而言，发射波长在1.3~1.5mm范围的VCSEL很重要。近几年来，人们开始将VCSEL的波长范围从红光波段扩展到了长波波段。现在VCSEL的研究发展方向成了世人瞩目的一个焦点，特别是对它的特性研究(如偏振特性等)。

多波长阵列VCSEL

　　垂直腔面发射激光器具有超短腔(通常比边缘发射激光器短2个数量级以上)，一般情况下只有一个F-P腔，而F－P腔模波长严格取决于腔的厚度变化。如图2所示，波长随层厚、层的数目和腔内的相对位置单调而近似线性的变化。

　　如图给出了离有缘区距离不同的几对DBR和总体DBR数厚度变化与腔模波长的关系。正因为VCSEL的激射波长可以靠稍微变化腔的厚度而往较长或较短的方向作调整，并不会显著损害激射特性。在光纤通讯中，随着局域网(LAN)带宽的拓宽，千兆位以太网和其它高速LAN协议的需求，为满足低成本的多模光发射器和光纤的要求，在WDM－LAN系统中，多波长VCSEL阵列将成为理想的“波长工程”器件 (美国加州大学正在进行这方面的研究)。人们开始设计制作多波长阵列。现在主要是在激光腔内引入少量厚度渐变层和用载流子等离子体以及热效应等方面考虑。目前已经陆续有人报道制作出了多波长VCSELs阵列。

应变量子阱VCSEL

　　无应变量子阱激光器对材料的晶格匹配要求比较严格。在理论和实验上都表明，在其中加入应变，能使其能带结构改变、阈值电流及其密度降低、外量子效率增加、波长延拓、输出功率增加、可靠性提高、进而改变其偏振等特性。因此，在此基础上发展起来了应变量子阱结构，扩大了作为有源区生长在一起的两种材料的自由度空间。目前，垂直腔面发射应变量子阱激光器的各种特性已经得到了人们的广泛重视，并正在进行研究。2002年应变量子阱激光器阵列的偏振稳定性被报道。在GaAs(311)B衬底上生长的高应变GaInAs/GaAs垂直腔面发射激光器的偏振稳定性也被报道。

　　另外，可见光等波段的VCSELs也是人们研究的热点。因为它可以用于高密度CD、激光扫描、光互联。例如红、绿、蓝三原色的VCSEL列阵，可用在彩色印刷和平面显示等方面。

未来前景

　　由于VCSEL的商业价值，众多的电子公司Honeywell,HP等正**研发。目前市场上主要产品有850nm的通信用VCSEL和780nm波长的CD、DVD、激光打印模块。一些高校和科研单位也正在积极开展VCSEL的研究，如美国的Bell Lab.,California大学，日本的东京工业大学，三洋电器公司等，国内从事VCSEL实验和理论研究的主要有中科院半导体所，吉林大学，北京工业大学等。

　　垂直腔面发射激光器的研究在各方面都已取得迅速发展。这种激光器也以产品形式出现在市场上。据美国Consultancy ElectroniCast公司预测，仅就用于全球消费的VCSEL激光收发机而言，2003年VCSEL将达到11.5亿美元，2008年将达到近60亿美元。毫无疑问，VCSEL有美好的未来。