據(jù)麥姆斯咨詢報道，六十年前的5月（1960年5月），位于美國加州馬里布的休斯研究實(shí)驗(yàn)室（Hughes Research Laboratories）的物理學(xué)家Theodore H. Maiman，成功利用合成紅寶石與能突然爆發(fā)出強(qiáng)光的螺旋形閃光管組建了世界上第一臺固態(tài)激光器。自激光器誕生至今，已有六十年的歷史，激光技術(shù)的發(fā)展歷程中跨越了諸多里程碑，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）無疑是其中最閃亮的新星之一。

激光器誕生60周年

雖然早在1962年就有人提出了制造垂直腔二極管激光器的建議，但直至1977年，才由日本東京工業(yè)大學(xué)的Kenichi Iga教授首次提出了制造VCSEL的設(shè)想。Kenichi Iga教授后于1979年使用液相外延技術(shù)（LPE）首次制備了InGaAs/InP材料的VCSEL；由于其具有模式好、閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

GaInAsP/InP VCSEL截面示意圖

VCSEL是一種帶有單片激光諧振腔的半導(dǎo)體激光二極管，該諧振腔可沿垂直于芯片表面的方向發(fā)射光。諧振腔由兩個半導(dǎo)體布拉格反射器組成，中間是帶有多個量子阱的有源層。近年來已開發(fā)出多種用途的各類VCSEL，VCSEL憑借其獨(dú)特的性能在應(yīng)用市場極具優(yōu)勢，例如它們能夠在較高溫度下運(yùn)行，而高溫可能增加災(zāi)難性的小平面失效風(fēng)險。

VCSEL可應(yīng)用于如智能手機(jī)、光通信、計算機(jī)鼠標(biāo)、氣體傳感、光學(xué)時鐘、激光泵浦及其它多種場景。Kenichi Iga教授于2013年榮獲了富蘭克林研究所頒發(fā)的“Bower獎”，和VCSEL概念、發(fā)展及其在光電子領(lǐng)域多種應(yīng)用的“科學(xué)成就獎”。

VCSEL的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀(jì)末，VCSEL的蠻荒發(fā)展階段。

在這個階段各個組織機(jī)構(gòu)都提出以及嘗試了各種不同結(jié)構(gòu)類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)而勝出。1982年，便有Hajime Okuda等人嘗試?yán)醚诼癞愘|(zhì)結(jié)（buried heterostructure）結(jié)構(gòu)，來降低閾值電流。

1989年，Jack Jewell在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了在單顆芯片上集成超過一百萬個VCSEL，這是1980年至1984年間Jack Jewell在Hyatt Gibbs博士指導(dǎo)下完成的博士研究成果。在該研究中，Jack Jewell利用砷化鎵（GaAs）的非線性光學(xué)特性制造出了用于光學(xué)計算機(jī)的全光邏輯門。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結(jié)構(gòu)（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進(jìn)行進(jìn)一步的限制。

首個氧化物限制型VCSEL

第二階段：VCSEL的逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)的VCSEL被很快運(yùn)用到了光通信中。1996年，K. L. Lear等人在前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化，報道了3 dB調(diào)制帶寬達(dá)到16.3 GHz的波長970 nm氧化物限制型VCSEL。

由于高的工作電流可以帶來更好的調(diào)制特性，但同時也會相應(yīng)的增加功耗，進(jìn)而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調(diào)制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰(zhàn)。2007年，Y-C. Chang等人采取增加深氧化層層數(shù)到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯(lián)阻抗的方式，在0.9 mA電流下實(shí)現(xiàn)的15 GHz調(diào)制帶寬，相應(yīng)的功耗只有1.2 mW，帶寬/功耗比只有12.5 GHz/mW，是當(dāng)時最先進(jìn)的水平。

深氧化層氧化物限制型VCSEL

VCSEL的新發(fā)展、新機(jī)遇

光通信領(lǐng)域?qū)CSEL調(diào)制速率的需求不斷提升，更多挑戰(zhàn)隨之而來。而在2017年，隨著蘋果將搭載VCSEL的Face ID引入智能手機(jī)后，中高端智能手機(jī)紛紛推出人臉識別系統(tǒng)，使得VCSEL應(yīng)用受到市場高度重視。在中短程激光雷達(dá)所需的光源中，VCSEL也可與邊緣發(fā)射激光器（EEL）一爭高下。同時VCSEL應(yīng)用還逐漸延伸至5G通訊、人工智能（AI）系統(tǒng)與智慧家電、汽車自動駕駛等領(lǐng)域。這些新興應(yīng)用促成了如今VCSEL產(chǎn)業(yè)的繁榮景象。
責(zé)任編輯:pj