垂直腔面射型激光器

发射器（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。

在制作的过程中，VCSEL比边射型激光多了许多优点。边射型激光需要在制作完成后才可进行测试。若一个边射型激光无法运作，不论是因为接触不良或者是物质成长的品质不好，都会浪费制作过程与物质加工的处理时间。然而VCSEL可以在制造的任何过程中，测试其品质并且作问题处理，因为VCSEL的激光是垂直于反应区射出，与边射型激光平行于反应区射出相反，所以可以同时有数万个VCSEL在砷镓芯片上被处理。此外，既使VCSEL在制造的过程需要较多的劳动与较精细的材料，生产结果是可被控制的及更多可被预期的。

## 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

- 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光学泵VCSEL：两个相叠合的VCSEL，其中一个利用光学来对另一个作泵。
- 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或是盘激光半导体disk laser。VECSEL是传统激光二极管的光学泵。这样的设置使装置有更广泛的区域可被泵，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（Semiconductor Optical Amplifier）。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。为了使讯号增至最大，这些装置会包含大量的量子井（光学泵装置已被证实有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。

## 特性

因为VCSEL是从积体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，VCSEL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。

## 应用

- 光纤的资料传输
- 类比宽频讯号传输
- 吸收光谱学（TDLAS）
- 激光打印机
- 电脑鼠标

## 历史

第一个VCSEL是在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu Soda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）。

## 参考文献

- . 10.1143/JJAP.18.2329

## 外部链接

- Long Wavelength Surface Emitting Lasers: Introduction
- Britney's Guide to Semiconductor Physics: VCSELs