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自 1977 年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 的概念開始，VCSEL 各個(gè)方面的研究到現(xiàn)在均獲得了長足的進(jìn)展。VCSEL 的光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片的襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有閾值電流低、穩(wěn)定單波長工作、易高頻調(diào)制、易二維集成、無腔面閾值損傷、動(dòng)態(tài)單模工作、圓形對稱光斑和光纖耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)。典型的 VCSEL 為頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。

 

 

VCSEL 從誕生起就作為新一代光存儲(chǔ)和光通信應(yīng)用的核心器件，為互聯(lián)網(wǎng)的需求和光學(xué)存儲(chǔ)密度的不斷提高提供了一條新途徑。

 

隨著 VCSEL 的研究深入以及應(yīng)用需求的拓展，VCSEL 不僅在手機(jī)、消費(fèi)性電子等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，VCSEL 還可以用來進(jìn)行人臉識別、3D 感測、手勢偵測和 VR(虛擬現(xiàn)實(shí))/AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))/MR(混合現(xiàn)實(shí))等。當(dāng)然，VCSEL 將來也可以大量應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、RF 元件、ADAS(先進(jìn)駕駛系統(tǒng))等，所以 VCSEL 未來應(yīng)用和市場熱度應(yīng)該會(huì)受到更多的重視。

 

 

尤其是近期蘋果公司宣布iphone8 采用VCSEL 半導(dǎo)體激光器技術(shù)，VCSEL 更是引起廣泛關(guān)注。業(yè)界認(rèn)為 VCSEL 產(chǎn)品進(jìn)入蘋果產(chǎn)業(yè)鏈不僅是產(chǎn)業(yè)公司業(yè)務(wù)的重大突破，更是以 VCSEL 技術(shù)為代表的半導(dǎo)體激光技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域的重大突破，VCSEL 激光器將進(jìn)入 iphone 產(chǎn)業(yè)鏈，光器件也將從工業(yè)領(lǐng)域走向消費(fèi)領(lǐng)域。

 

 

在當(dāng)下這個(gè) VCSEL 產(chǎn)品被廣泛需求的時(shí)代，世界上各家致力于 VCSEL 研究與制造的公司均推出了各有千秋的 VCSEL 產(chǎn)品。本節(jié)重點(diǎn)對 Princeton optronics，Vixar，Ⅱ-Ⅵ，F(xiàn)inisar，Philips Photonics、華芯半導(dǎo)體科技有限公司這幾家公司的最新產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

 

Princeton Optronics ：該公司成立于 1993 年，一直致力于高效率、低功耗 VCSEL 器件及模塊尖端技術(shù)的研發(fā)，是一家主要從事 VCSEL 以及基于 VCSEL 的光學(xué)組件和模塊的私營公司。

 

1）在深度攝像機(jī)應(yīng)用方面，公司開發(fā)了 830 nm、850 nm 和 945 nm 三種波長的 VCSEL 器件。其中波長為 830 nm 的 VCSEL 陣列連續(xù)輸出功率為 20 mW，具有光譜寬度為 2.5 nm 和成像分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。波長為 850 nm 的 VCSEL 陣列連續(xù)輸出功率為 1 W，具有光譜寬度為 0.8 nm、波長輸出穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。波長為 945 nm 的 VCSEL 陣列連續(xù)輸出功率為 2 W，具有光譜寬度小于 1 nm、波長輸出穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這三款器件在 3D 成像、照明、導(dǎo)航、安全和監(jiān)控?cái)z像機(jī)以及 VR 方面有著很好的應(yīng)用。此外，公司還開發(fā)了波長為 860 nm 和 940 nm 的 VCSEL 陣列，輸出功率分別為 2 W 和 6 W，主要應(yīng)用于 3D 成像。

 

2）在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，公司開發(fā)了波長為 808 nm 的 1 × 8 VCSEL 陣列，其準(zhǔn)連續(xù)輸出功率(在 200 ns 脈沖寬度、1%占空比的操作條件下)大于 300 mW，具有光譜寬度小于 1 nm、波長輸出穩(wěn)定、可靠性高和能夠在高達(dá) 80℃的溫度下工作的優(yōu)點(diǎn)，該產(chǎn)品主要應(yīng)用在激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)和無人駕駛汽車方面。

 

3）在紅外照明應(yīng)用領(lǐng)域，公司開發(fā)了波長為 808 nm、850 nm、945 nm、975 nm 以及 1064 nm 的 VCSEL 器件。其中 808 nm 的 VCSEL 陣列最高準(zhǔn)輸出功率達(dá) 800 W，光譜寬度為 3 nm。波長為 850 nm 的 VCSEL 陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá) 4 W，具有光譜寬度小于 2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。波長為 945 nm 的VCSEL 陣列最高準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá) 8 W，光譜寬度小于 1 nm。波長為 975 nm 的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá) 100 W，具有光譜寬度小于 1 nm、可靠性高、低熱阻(~0.16℃/W)以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。波長為 1064 nm 的VCSEL 陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá) 40 W，具有光譜寬度小于 2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。這些器件均可應(yīng)用于夜間和霧天的輔助駕駛、安全和監(jiān)控?cái)z像機(jī)，有些還可應(yīng)用于醫(yī)療以及固態(tài)激光泵等方面。

 

由于 VCSEL 在紅外照明方面的應(yīng)用廣泛，該公司還針對具體應(yīng)用開發(fā)了多種照明器，比如波長為808 nm 和 976 nm 的二維 VCSEL 照明器件。針對短程監(jiān)控應(yīng)用，開發(fā)了波長為 808 nm 和 976 nm 的緊湊型瓦級照明器模塊,全發(fā)散角約為 20?(1/e2值全寬)；針對諸如爆炸或塵云的不利條件進(jìn)行檢測的軍事應(yīng)用，開發(fā)了波長為 976 nm 的千瓦級照明器，該照明器使用 9 個(gè)高功率 VCSEL 陣列制作，其中每個(gè)陣列的連續(xù)輸出功率都大于 1200 W；針對大于 200 m 長距離范圍的照明，開發(fā)了波長為 808 nm 的 100 W級照明器。

 

4）在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 650 nm 的高功率(15 W)紅色激光器件和陣列，這些陣列具有功率轉(zhuǎn)換效率大于 20%、光譜寬度約為 1 nm 和具有 18?發(fā)散角(全角)的圓形光束的特點(diǎn)，可以用于醫(yī)療和照明。除此之外還開發(fā)了兩款波長為 688 nm 的 VCSEL 器件，一款為連續(xù)輸出功率為 1 mW 的單器件 VCSEL， 另一款為連續(xù)輸出功率為 2 W 的 VCSEL 陣列。

 

在 2015 年，該公司應(yīng)用新技術(shù)開發(fā)了 780 nm，795 nm 和 850 nm 三種波長的單頻 VCSEL ,其輸出功率大于 100 mW，線寬小于 100 kHz，這類 VCSEL 器件應(yīng)用于原子鐘。

 

Vixar：該公司成立于 2005 年，在 VCSEL 技術(shù)研發(fā)與制造方面戰(zhàn)績頗豐，為生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、辦公產(chǎn)品、汽車和消費(fèi)品行業(yè)的傳感器等應(yīng)用制造波長在 650~1000 nm 之間的 VCSEL。

 

1）在激光測量應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 670~690 nm 和 830~860 nm 的單模 VCSEL，連續(xù)輸出功率分別為 0.7 mW 和 1 mW，線寬分別為小于 100 MHz 和約為 50 MHz。

 

2）在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了兩款 VCSEL，一款是波長為 670~690 nm 的多模 VCSEL，連續(xù)輸出功率為 3.5 mW，調(diào)制速度高達(dá) 10 Gbit/s，光譜寬度為 1 nm。另一款是波長為 765~780 nm 的 VCSEL，連續(xù)輸出功率為 3 mW，調(diào)制速度高達(dá) 10 Gbit/s，光譜寬度為 1 nm。

 

3）在低光激光治療應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 670~690 nm 的多模 VCSEL 以及高功率 VCSEL 陣列，連續(xù)輸出功率分別為 6 mW 和 300 mW，光譜寬度為 1 nm。

 

4）在原子鐘應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 790~800 nm 和 885~905 nm 的單模VCSEL，連續(xù)功率均為 0.1 mW，線寬分別為小于 50 MHz 和約為 50 MHz。

 

5）在手勢識別傳感器、安全紅外照明和 3D 掃描等應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 830~860 nm 的多模 VCSEL陣列，公布的 VCSEL 陣列輸出功率有 10 mW，750 mW，2 W 和 10 W，線寬約為 1 nm。

 

Ⅱ-Ⅵ公司：該公司成立于 1987 年，近30年來，他們提供突破性的光學(xué)技術(shù)和領(lǐng)先的產(chǎn)品，為電訊設(shè)備及服務(wù)商、光學(xué)顯示、安全系統(tǒng)、醫(yī)療器械、環(huán)保設(shè)備、航空及防御體系提供光學(xué)組件、模塊及子系統(tǒng)。

 

1）在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 850 nm 的 VCSEL，傳輸距離為 550 m，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá) 10 Gbit/s， 有小于 0.6 W 的低功率損耗，能夠應(yīng)用在高速以太網(wǎng)、光纖通道以及高速數(shù)據(jù)連接等方面。

 

2）在感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 850 nm 的 VCSEL，在低電流(7~15 mA)驅(qū)動(dòng)下能夠提供高的輸出功率(1.5 mW)，頻率大于 1 GHz。

 

3）在手勢識別和 3D 相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了波長為 860 nm 的二維 VCSEL 陣列，在室溫下能夠達(dá)到大于 500 mW 的連續(xù)輸出功率，在窄脈沖(小于 10 ns)和低占空比注入(小于 1%)條件下，可以達(dá)到 10 W 的峰值功率。此陣列在脈沖工作條件下能夠發(fā)射高斯形光束，并且上升和下降時(shí)間小于 1 ns。

 

Philips Photonics ：該公司成立于 1891 年，是應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、消費(fèi)和工業(yè)的 VCSEL 技術(shù)、設(shè)計(jì)和制造的全球領(lǐng)先制造商。公司擁有非常全面的產(chǎn)品組合，從用于數(shù)據(jù)通信的高速 VCSEL 到用于安全、 監(jiān)控和夜視應(yīng)用的紅外照明模塊，從用于感測應(yīng)用的單模 VCSEL 到用于精確測量速度和距離的智能激光多普勒傳感器。還有為工業(yè)加熱和光抽運(yùn)應(yīng)用提供紅外輻射模塊。

 

1）在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了高速 VCSEL，其中波長為 850 nm 的 VCSEL 器件有兩款產(chǎn)品，一款輸 出功率為 1.5 mW，速度可高達(dá) 14 Gbit/s，調(diào)制帶寬為 3 DB。另一款輸出功率為 2 mW，速度可達(dá)到 5 Gbit/s， 調(diào)制帶寬為 3 DB。除此之外，公司還提供了很多數(shù)據(jù)通信 VCSEL 陣列，根據(jù)具體要求 VCSEL 可以具有單模或多模操作，最高達(dá)到 24 mW 的光輸出功率。 

 

2）在工業(yè)熱處理的很多應(yīng)用領(lǐng)域，公司提供了很好的解決方案，將數(shù)十瓦到數(shù)十千瓦的紅外輸出功率聚集到特定的目標(biāo)區(qū)域，能量強(qiáng)度在傳統(tǒng)的端面發(fā)射激光器和 LED 之間。該系統(tǒng)是基于高功率 VCSEL 陣列的模塊組合，模塊簡單并且堅(jiān)固，能夠很容易地以緊湊方式集成到產(chǎn)品上，公司能夠根據(jù)客戶的特定需求給出量身定制的解決方案。比如應(yīng)用紅外功率系統(tǒng)制作了準(zhǔn)連續(xù)輸出功率為 500 W 的倒裝發(fā)光抽運(yùn)模塊和連續(xù)輸出功率為 100 W 的正裝發(fā)光抽運(yùn)模塊。

 

3） 在紅外照明應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)的 VCSEL 器件能夠達(dá)到 6 W 的光功率輸出，具有光譜寬度為 2 nm、可靠性高以及功率轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，主要波長有 808 nm、850 nm、940 nm 和 980 nm。該技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)控、車牌識別和 3D 相機(jī)等。 

 

4）在感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了基于飛利浦激光多普勒技術(shù)的雙眼激光傳感器產(chǎn)品系列。這些雙眼激光傳感器可以被應(yīng)用于消費(fèi)者和專業(yè)產(chǎn)品的輸入設(shè)備，例如 PC外圍設(shè)備、游戲應(yīng)用和軌跡球設(shè)備。該公司開發(fā)的雙眼激光傳感器是第一個(gè)也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的 3D動(dòng)態(tài)感應(yīng)導(dǎo)航傳感器，并且符合 1 級人眼安全要求。

 

 國內(nèi)方面：江蘇華芯半導(dǎo)體科技有限公司于 2017 年 3 月 2 日宣布，其自主開發(fā)的 30G VCSEL 芯片 已通過客戶測試，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。該 VCSEL 芯片完全采用自主創(chuàng)新的專利技術(shù)，特別是獨(dú)有的納米層精確控制與補(bǔ)償外延技術(shù)和芯片 BCB 平整制程，使得該芯片具備高頻、高溫、高濕以及復(fù)雜電磁環(huán)境工作的能力，可大大降低數(shù)據(jù)中心的耗電量。此款 850 nm 中心波長的 VCSEL 芯片的主要參數(shù)為：功率大于 3.5 mW@6 mA，RMS 譜寬小于 0.4 nm，閾值電流 0.8~1.2 mA，斜率效率 0.5~0.7 W/A。

 

對于商用 VCSEL 產(chǎn)品可以將其大體劃分為三個(gè)階段：

 

第一階段為在 VCSEL 發(fā)現(xiàn)之初，由于它的獨(dú)特優(yōu)勢比如圓形對稱光斑、閾值電流低、無腔面閾值損傷等，迅速引起了人們的廣泛關(guān)注與研究熱潮， 也成功地在很多領(lǐng)域取代了邊發(fā)射激光器以及 LED 的地位；

 

第二階段為發(fā)現(xiàn)了 VCSEL 易于二維集成的特性，由此使得 VCSEL 器件的輸出功率得到了前所未有的提高，解決了例如遠(yuǎn)距離照明、醫(yī)療應(yīng)用等很多領(lǐng)域的難題；

 

第三個(gè)階段為發(fā)現(xiàn)了 VCSEL 單器件的可調(diào)制性，使其迅速應(yīng)用在了傳感器等領(lǐng)域。希望在未來可以發(fā)現(xiàn)更多 VCSEL 到目前為止還未開發(fā)的新性能，使其更好地服務(wù)于我們的生活。

 

VCSEL國內(nèi)外研究情況

 

自 VCSEL 概念被提出以來，其各方面的研究受到了各個(gè)研究單位的垂青，尤其是如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能是一大研究熱點(diǎn)，以下從不同優(yōu)化 VCSEL 器件結(jié)構(gòu)性能的方式來介紹近幾年來 VCSEL 的研究現(xiàn)狀。

 

VCSEL 器件中電流分布的優(yōu)化。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究對 VCSEL 研究成果匪淺， Jianwei Zhang 等人在 2014 年報(bào)告了波長約為 980 nm 的高峰值功率 VCSE 準(zhǔn)陣列，在報(bào)告中通過優(yōu)化電流分布來提高大孔徑 VCSEL 的外部量子效率，并且開發(fā)了具有 62 W 峰值功率的單器件 VCSEL 作為陣列的基本單元。陣列采用 4 個(gè)高功率 VCSEL 單管串聯(lián)連接，尺寸為 2.2 mm × 2.2 mm，在 30 ns 和 5 kHz 脈沖條件下，當(dāng)電流為 110 A 時(shí)，輸出功率大于 210 W。 

 

高世杰等人在 2016 年通過優(yōu)化波長為 980 nm 的 VCSEL 單元器件結(jié)構(gòu)，有效抑制了寬面 VCSEL 結(jié)構(gòu)中的非均勻電流分布，提高了單元器件的斜率效率，獲得了直徑為 400 µm，峰值輸出功率為 62 W 的 VCSEL 單元器件。在此基礎(chǔ)上，研制出由單元器件組合封裝而成的 VCSEL“準(zhǔn)列陣”子模塊以及集 成驅(qū)動(dòng)電路的微型化 VCSEL 脈沖激光光源，該光源在脈沖驅(qū)動(dòng)條件為 30 ns，2 kHz，105 A 條件下的峰值輸出功率達(dá)到 226 W，光脈沖寬度 35 ns，中心波長 979.4 nm，斜率效率達(dá)到 2.15 W/A。

 

VCSEL 器件中 DBR 的優(yōu)化。張金勝等人在 2014 年為了實(shí)現(xiàn)波長為 808 nm VCSEL 的高功率輸出，對 VCSEL 的 DBR 結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了 AlxGa1−xAs 材料中 Al 組分對于折射率與吸收的影響，并最終確定了 DBR 的高、低折射率材料為 Al0.2Ga0.8As 和 Al0.1Ga0.9As，P 面 DBR 對數(shù)為 23 對， N 面 DBR 對數(shù)為 39.5 對。采用非閉合環(huán)結(jié)構(gòu)制備 2 × 2 VCSEL 列陣。通過波形分析法對 VCSEL 列陣的功率進(jìn)行了測量:在脈沖寬度為 20 ns、重復(fù)頻率為 100 Hz、注入電流為 110 A 的條件下，最大峰值功率 為 30 W；在脈沖寬度為 60 ns、重復(fù)頻率為 100 Hz、注入電流為 30 A 的條件下，最大功率為 9 W。

 

Holger Moench 等人在 2014 年也對 DBR 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使 808 nm 高功率 VCSEL 陣列的輸出 功率和輸出效率均得到了提高，研究表明 VCSEL 性能的優(yōu)化，可以通過平衡 DBR 反射鏡各層中的電光損耗來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉瓷溏R必須滿足矛盾的要求：一方面，它們應(yīng)當(dāng)具有良好的電導(dǎo)來達(dá)到低電阻，這就要求提高摻雜。另一方面，由于反射鏡位于激光器的光路中，所以它們應(yīng)當(dāng)具有最小的光吸收損耗， 這就要求在反射鏡中低摻雜。他們在電和光損耗的平衡之后選擇 DBR 對數(shù)的最佳數(shù)量，N 面 DBR 對數(shù) 為 41 對，P 面 DBR 對數(shù)為 20 對，測試結(jié)果表明優(yōu)化后的 808 nm 正裝發(fā)射 VCSEL 最大輸出功率增加了 1.7 倍，最大電光效率已經(jīng)從 30%提高到 46%。

 

VCSEL 器件中量子阱增益及腔模位置等材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。張星等人在 2016 年報(bào)道了自行研制的波長為 894 nm 的 VCSEL 以及基于此類器件的芯片級銫原子鐘系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們根據(jù)芯片級銫原子鐘對 VCSEL 在特定高溫環(huán)境下產(chǎn)生 894.6 nm 線偏振激光的要求，對器件的量子阱增益及腔模位置等材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定增益–腔模失諧量為−15 nm，使器件的基本性能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，研制的 VCSEL 器件指標(biāo)為：20℃~90℃溫度范圍內(nèi)閾值電流保持在 0.20~0.23 mA，0.5 mA 工作電流下輸出功率大于 0.1 mW；85.6℃溫度環(huán)境下激光波長 894.6 nm，偏振選擇比 59.8:1；采用所研制的 VCSEL 與銫原子作用，獲得了芯片級銫原子鐘實(shí)施激光頻率穩(wěn)頻的吸收譜線和實(shí)施微波頻率穩(wěn)頻的相干布居囚禁譜線。

 

VCSEL 器件的新型結(jié)構(gòu)。Mohammad Yazdanypoor 等人在 2014 年提出了一種具有多氧化物層結(jié)構(gòu)的新型 VCSEL，這種新型結(jié)構(gòu)的 VCSEL 設(shè)計(jì)了 4 個(gè)氧化層并且氧化層的孔徑大小和厚度均不相同， 具有 12 mW 單模光輸出功率和 0.7 mA 閾值電流，表明了該種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的單模光輸出功率。

 

X.Yang 等人在 2015 年報(bào)道了小尺寸單模無氧化層的 VCSEL，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵是控制光刻和消除氧化層能夠減小熱阻、電阻以及內(nèi)部應(yīng)力，尤其是比常規(guī) VCSEL 更加容易控制發(fā)光孔經(jīng)的大小，其在單模輸出時(shí)具有高的功率轉(zhuǎn)換效率，測試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)光孔徑為 2 μm 時(shí)，能產(chǎn)生 8 mW 的單橫模功率, 功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 46%，斜率效率大于 73%，閾值電流低至 300 µA。當(dāng)發(fā)光孔徑為 1 µm 時(shí)，能產(chǎn)生大于 5 mW 的單模功率，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 37%，斜率效率大于 79%，同時(shí)這種器件還具有低結(jié)溫的優(yōu)勢。此類 VCSEL 器件可用于高速光互連和高功率陣列以及需要單模操作的傳感器等一系列應(yīng)用。

 

長春理工大學(xué)的馮源等人在 2014 年設(shè)計(jì)并制備了一種波長為 980 nm 新型內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu) VCSEL，這種新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是從降低等效電阻方面進(jìn)行考慮，把 P 面電極設(shè)計(jì)成內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu)，在出光孔徑為 16 µm 時(shí)，同時(shí)制備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)兩種器件并對其進(jìn)行測試，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) VCSEL 的閾值電流為 11.5 mA，當(dāng)注入電流為 34 mA 時(shí)，最大輸出功率達(dá)到 7.3 mW；新結(jié)構(gòu)器件的閾值電流為 9 mA， 當(dāng)注入電流為 35 mA 時(shí)，最大輸出功率達(dá)到 10.2 mW；新結(jié)構(gòu)的閾值電流降低了 21.7%，最大輸出功率提高了 28%。結(jié)果表明，采用這種新型內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu)能夠降低體電阻，提高輸出功率，進(jìn)而可改善 VCSEL 的光電性能。

 

VCSEL 器件其它方式的性能優(yōu)化。Kai-Lun Chi 等人在 2014 年對波長為 850 nm 的單模 VCSEL 陣列進(jìn)行了研究,他們通過使用具有適當(dāng)陣列間距的 Zn 擴(kuò)散孔，已經(jīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有高連續(xù)功率 140 mW 和窄發(fā)散角 5?的圓形對稱圖案。

 

Yuta Aoki等人在2014年報(bào)道了質(zhì)子注入型倒裝高功率VCSEL陣列，該陣列集成了635個(gè)VCSEL 單管，每個(gè)單管 VCSEL 在持續(xù)工作下的輸出功率達(dá)到了 380 mW，這些 VCSEL 單管由質(zhì)子注入限定并在 5 mm × 5 mm 正方形中以 175 µm 間距的緊密排列，在準(zhǔn)連續(xù)波的工作模式下該陣列實(shí)現(xiàn)了超過 200 W 的輸出功率，這個(gè)結(jié)果說明質(zhì)子注入在大功率 VCSEL 陣列制備上有很高的應(yīng)用前景。

 

蔡麗娥等人在 2016 年利用金屬有機(jī)物氣相沉積技術(shù)(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長了 GaN基 VCSEL 的多量子阱腔層結(jié)構(gòu)，X 射線衍射測量顯示該多量子阱具有良好周期結(jié)構(gòu)和平整界面，運(yùn)用鍵合及激光剝離技術(shù)將該外延片制作成 VCSEL，頂部和底部反射鏡為極高反射率的介質(zhì)膜 DBR。在室溫、 紫外脈沖激光的抽運(yùn)條件下，觀察到了 VCSEL 明顯的激射現(xiàn)象，峰值波長位于 447.7 nm，半高寬為 0.11 nm，自發(fā)輻射因子約為 6.0 ×10−2，閾值能量密度約為 8.8 mJ/cm2 。

 

Hai-Han Lu等人在2016年提出了一種基于56 Gbit/s LiFi (Light Fidelity可見光無線通信)傳輸技術(shù)， 該技術(shù)使用 VCSEL 發(fā)射源，能夠在 20 m的自由空間鏈路上實(shí)現(xiàn)低誤碼率的、清晰的 3 維視圖，這種創(chuàng)新性的技術(shù)在未來無線基礎(chǔ)設(shè)施中將會(huì)發(fā)揮更大更重要的作用，進(jìn)而有效地提高傳輸速率以及自由空間 的傳輸距離。

 

張巖等人在 2017 年發(fā)表的文章中表明，他們設(shè)計(jì)并制備了波長為 795 nm 的單模 VCSEL，根據(jù)對 VCSEL 的光場和模式的分析和計(jì)算結(jié)果，采用 MOCVD 技術(shù)生長了外延結(jié)構(gòu)，制備了不同有源區(qū)直徑的氧化限制型 VCSEL 芯片并進(jìn)行了測試。

 

當(dāng)有源區(qū)直徑從 6 μm 減小到 3 μm 時(shí)，VCSEL 芯片的邊模抑制比(SMSR)由 8.76 dB 增加到 34.05 dB，閾值電流由 0.77 mA 減小到 0.35 mA。有源區(qū)直徑為 6、5、4 和 3 μm 的 VCSEL 芯片的輸出功率分別為 0.37、0.46、0.58 和 0.44 mW，有源區(qū)直徑為 4 μm的 VCSEL 芯片的遠(yuǎn)場為圓形光束，發(fā)散角為 15?，85℃時(shí) 3.5 μm 有源區(qū)直徑的 VCSEL 芯片輸出功率為 0.125 mW， 激射波長為 795.3 nm，室溫3 dB 帶寬，大于 8 GHz，滿足了銣原子傳感器對 VCSEL 單模光譜、輸出功率及調(diào)制速率的要求。

 

總結(jié)：隨著市場對VCSEL的需要日益多樣化，國內(nèi)外各大公司以及研究機(jī)構(gòu)均是順應(yīng)潮流對其進(jìn)行深入研究，優(yōu)化VCSEL性能以及提高輸出功率。相信在不久的未來，VCSEL將會(huì)有更好的發(fā)展，為我們的生活提供更多的便利。