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VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)及其陣列是一種新型半導(dǎo)體激光器，它是光子學(xué)器件在集成化方面的重大突破，它與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同。端面發(fā)射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；與此相反，VCSEL的發(fā)光束垂直于晶片表面。它優(yōu)于端面發(fā)射激光器的表現(xiàn)在：

●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；

●圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合；

●有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；

●芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)；

●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；

●價(jià)格低。

(1)結(jié)構(gòu)

(2)襯底的選擇

硅上VCSEL

在硅（Si）上制作的VCSEL還不曾實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。這是由于將AlAs/GaAs DFB直接生長(zhǎng)在#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率較低。 日本Toyohashi大學(xué)的研究者由于在GaAs/Si異質(zhì)界面處引入多層（GaAs）m（GaP）n應(yīng)變短周期超晶格（SSPS）結(jié)構(gòu)而降低了GaAs-on-Si異質(zhì)結(jié)外延層的螺位錯(cuò)密度。

藍(lán)寶石上VCSEL

美國(guó)南方加利福利亞大學(xué)的光子技術(shù)中心為使底部發(fā)射850nm VCSEL發(fā)射的光穿過(guò) 襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結(jié)構(gòu)從吸收光的GaAs襯底移開(kāi)，轉(zhuǎn)移到透明的藍(lán)寶石襯底上，提高了wall-plug#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#效率，最大值達(dá)到25%。
GaAs上VCSEL

基于GaAs基材料系統(tǒng)的VCSEL由于高的Q值而備受研究者青睞，目前VCSEL最多也是生長(zhǎng)在GaAs襯底上。但以GaAsSb QW作為有源區(qū)的CW長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL發(fā)射波長(zhǎng)被限制在1.23 m。發(fā)射波長(zhǎng)1.3 m的GaAsSb-GaAs系統(tǒng)只有側(cè)面發(fā)射激光器中報(bào)道過(guò)。日前美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的F.Quochi等人演示了室溫CW時(shí)激射波長(zhǎng)為～#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#1.28 m的生長(zhǎng)在GaAs襯底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個(gè)波長(zhǎng)是目前報(bào)道的GaAsSb-GaAs材料系最長(zhǎng)的輸出波長(zhǎng)。

(3)新工藝

氧化物限制工藝

氧化物限制的重大意義在于：能較高水平地控制發(fā)射區(qū)面積和芯片尺寸，并能極大地提高效率和使光束穩(wěn)定地耦合進(jìn)單模和多模光纖。因此，采用氧化物限制方案器件有望將閾值電流降到幾百Ａ，而驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到幾個(gè)mA就足以產(chǎn)生1mW左右的輸出光功率。

采用氧化孔徑來(lái)限制電流與光場(chǎng)，使效率得到顯著提高，同時(shí)降低了VCSEL的閾值電流。所以，現(xiàn)在極有可能在單個(gè)芯片上制作大型和密集型封裝的氧化限制VCSEL陣列而不會(huì)存在嚴(yán)重的過(guò)熱問(wèn)題。除低閾值電流和高效率外，均勻性是成功的VCSEL陣列的又一重要因素。在駐波節(jié)點(diǎn)處設(shè)置微氧化孔提高了VCSEL陣列的均勻性，并降低了小孔器件的散射損耗。美國(guó)University of Southern California大學(xué)日前演示的均勻晶片鍵合氧化限制底部發(fā)射850nm VCSEL陣列中，#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#5 5 VCSEL陣列的平均閾值電流低至346 A，而平均外量子效率接近57%，室溫連續(xù)波電流激射時(shí)單模輸出功率超過(guò)2 mW。他們還演示了大（10 20）VCSEL陣列，其閾值電流和外量子效率的變化分別低于4%與2%。

晶片鍵合工藝

長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器（LW-VCSEL）因其低價(jià)格、超低閾值和小的光束發(fā)散，作為光纖通信系統(tǒng)中的激光源有很大的潛力。但是由于它的氧化層和有源層間存在著為滿(mǎn)足足夠的電流傳播和弱的光橫向限制的固有距離，使LW-VCSEL遭受橫電光限制，因此在高的結(jié)電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的橫模圖形。

日本NTT光子實(shí)驗(yàn)室將具有充分的橫向限制的掩埋異質(zhì)結(jié)（BH）引入1.55 m VCSEL#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#中，采用了薄膜晶片鍵合工藝使InP基掩埋異質(zhì)結(jié)VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具體過(guò)程:（a）采用MOCVD生長(zhǎng)InP 基激光器結(jié)構(gòu)（第一次生長(zhǎng)）；（b）采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）形成臺(tái)面方形；（c）再一次生長(zhǎng)摻Fe InP層和n-InP層（第二次生長(zhǎng)）；（d）又一次生長(zhǎng)p-InP相位匹配和p-InGaAs接觸層（第三次生長(zhǎng)）；（e）將外延層安裝在Si板上并用蠟作機(jī)械支撐；（#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#f）采用HCl和H3PO4化學(xué)溶液腐蝕InP襯底和InGaAsP腐蝕中止層；（g）將InP基和GaAs基層的兩表面在相同結(jié)晶方向面對(duì)面放置，然后在室溫下蠟熔解而使Si片分開(kāi)，將樣品送入退火爐以形成化學(xué)鍵合；（h）將臺(tái)面上部的p-InGaAs移開(kāi)并將普通電極和SiO2-TiO2介質(zhì)鏡從臺(tái)面上移去。底部涂覆一層抗反射涂層。

因?yàn)槿酆辖缑孢h(yuǎn)離有源區(qū)，而且它不在器件電流通過(guò)的路徑上，所以晶片鍵合過(guò)程不會(huì)影響器件特性。

此LW-VCSEL結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，諧振腔波長(zhǎng)可在晶片融合之前監(jiān)控，因此發(fā)射波長(zhǎng)可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性會(huì)由于有源層和InP-GaAs熔合界面之間有足夠距離而變得很高。此外，它能低電壓工作的潛力在很大程度上是因?yàn)?/span>p-GaAs-AlAs DBR#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#和p-InP-p-GaAs界面間的高電阻得到了消除。