VCSEL激光器的國內外進展概述

引言

自 1977 年，日本東京工業大學的伊賀健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 的概念開始，VCSEL 各個方面的研究到現在均獲得了長足的進展。VCSEL 的光學諧振腔與半導體晶元的襯底垂直，能夠實現晶元表面的激光發射，有閾值電流低、穩定單波長工作、易高頻調製、易二維集成、無腔面閾值損傷、動態單模工作、圓形對稱光斑和光纖耦合效率高等優點。典型的 VCSEL 為頂發射結構。結構示意圖如下所示。

圖 頂發射VCSEL結構示意圖

VCSEL 從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，為互聯網的需求和光學存儲密度的不斷提高提供了一條新途徑。

隨著 VCSEL 的研究深入以及應用需求的拓展，VCSEL 不僅在手機、消費性電子等領域發揮越來越重要的作用，VCSEL 還可以用來進行人臉識別、3D 感測、手勢偵測和 VR(虛擬現實)/AR(增強現實)/MR(混合現實)等。當然，VCSEL 將來也可以大量應用在物聯網、5G 通信、RF元件、ADAS(先進駕駛系統)等，所以 VCSEL 未來應用和市場熱度應該會受到更多的重視。

尤其是近期蘋果公司宣布iphone8 採用VCSEL 半導體激光器技術，VCSEL 更是引起廣泛關注。業界認為 VCSEL 產品進入蘋果產業鏈不僅是產業公司業務的重大突破，更是以 VCSEL 技術為代表的半導體激光技術在消費領域的重大突破，VCSEL 激光器將進入 iphone 產業鏈，光器件也將從工業領域走向消費領域。

VCSEL國內外商用情況

在當下這個 VCSEL 產品被廣泛需求的時代，世界上各家致力於 VCSEL 研究與製造的公司均推出了各有千秋的 VCSEL 產品。本節重點對 Princeton optronics，Vixar，Ⅱ-Ⅵ，Finisar，Philips Photonics、華芯半導體科技有限公司這幾家公司的最新產品進行介紹。

Princeton Optronics ：該公司成立於 1993 年，一直致力於高效率、低功耗 VCSEL 器件及模塊尖端技術的研發，是一家主要從事 VCSEL 以及基於 VCSEL 的光學組件和模塊的私營公司。

1）在深度攝像機應用方面，公司開發了 830 nm、850 nm 和 945 nm 三種波長的 VCSEL 器件。其中波長為 830 nm 的 VCSEL 陣列連續輸出功率為 20 mW，具有光譜寬度為 2.5 nm 和成像解析度高的優點。波長為 850 nm 的 VCSEL 陣列連續輸出功率為 1 W，具有光譜寬度為 0.8 nm、波長輸出穩定和可靠性高的優點。波長為 945 nm 的 VCSEL 陣列連續輸出功率為 2 W，具有光譜寬度小於 1 nm、波長輸出穩定和可靠性高的優點。這三款器件在 3D 成像、照明、導航、安全和監控攝像機以及 VR 方面有著很好的應用。此外，公司還開發了波長為 860 nm 和940 nm 的 VCSEL 陣列，輸出功率分別為 2 W 和 6 W，主要應用於 3D 成像。

2）在雷達應用領域，公司開發了波長為 808 nm 的 1 × 8 VCSEL 陣列，其准連續輸出功率(在 200 ns 脈衝寬度、1%占空比的操作條件下)大於 300 mW，具有光譜寬度小於 1 nm、波長輸出穩定、可靠性高和能夠在高達 80℃的溫度下工作的優點，該產品主要應用在激光雷達、激光制導和無人駕駛汽車方面。

3）在紅外照明應用領域，公司開發了波長為 808 nm、850 nm、945 nm、975 nm 以及 1064 nm 的 VCSEL 器件。其中 808 nm 的 VCSEL 陣列最高准輸出功率達 800 W，光譜寬度為 3 nm。波長為 850 nm 的 VCSEL 陣列最高連續輸出功率達 4 W，具有光譜寬度小於 2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優點。波長為 945 nm 的VCSEL 陣列最高准連續輸出功率達 8 W，光譜寬度小於 1 nm。波長為 975 nm 的VCSEL陣列最高連續輸出功率達 100 W，具有光譜寬度小於1 nm、可靠性高、低熱阻(~0.16℃/W)以及能在高溫(80℃)下工作的優點。波長為 1064 nm 的VCSEL 陣列最高連續輸出功率達 40 W，具有光譜寬度小於 2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優點。這些器件均可應用於夜間和霧天的輔助駕駛、安全和監控攝像機，有些還可應用於醫療以及固態激光泵等方面。

由於 VCSEL 在紅外照明方面的應用廣泛，該公司還針對具體應用開發了多種照明器，比如波長為808 nm 和 976 nm 的二維 VCSEL 照明器件。針對短程監控應用，開發了波長為 808 nm 和976 nm 的緊湊型瓦級照明器模塊,全發散角約為 20?(1/e2值全寬)；針對諸如爆炸或塵雲的不利條件進行檢測的軍事應用，開發了波長為 976 nm 的千瓦級照明器，該照明器使用 9 個高功率 VCSEL 陣列製作，其中每個陣列的連續輸出功率都大於 1200 W；針對大於 200 m 長距離範圍的照明，開發了波長為 808 nm 的 100 W級照明器。

4）在醫療應用領域，開發了波長為 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換效率大於 20%、光譜寬度約為 1 nm 和具有 18?發散角(全形)的圓形光束的特點，可以用於醫療和照明。除此之外還開發了兩款波長為 688 nm 的 VCSEL 器件，一款為連續輸出功率為 1 mW 的單器件 VCSEL， 另一款為連續輸出功率為 2 W 的 VCSEL 陣列。

在 2015 年，該公司應用新技術開發了 780 nm，795 nm 和 850 nm 三種波長的單頻 VCSEL ,其輸出功率大於 100 mW，線寬小於 100 kHz，這類 VCSEL 器件應用於原子鐘。

Vixar：該公司成立於 2005 年，在 VCSEL 技術研發與製造方面戰績頗豐，為生物醫學、工業、辦公產品、汽車和消費品行業的感測器等應用製造波長在 650~1000 nm 之間的 VCSEL。

1）在激光測量應用領域，開發了波長為 670~690 nm 和 830~860 nm 的單模 VCSEL，連續輸出功率分別為 0.7 mW 和 1 mW，線寬分別為小於 100 MHz 和約為 50 MHz。

2）在數據通信應用領域，開發了兩款 VCSEL，一款是波長為 670~690 nm 的多模 VCSEL，連續輸出功率為 3.5 mW，調製速度高達 10 Gbit/s，光譜寬度為 1 nm。另一款是波長為 765~780 nm 的 VCSEL，連續輸出功率為 3 mW，調製速度高達 10 Gbit/s，光譜寬度為 1 nm。

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

4）在原子鐘應用領域，開發了波長為 790~800 nm 和 885~905 nm 的單模VCSEL，連續功率均為 0.1 mW，線寬分別為小於 50 MHz 和約為 50 MHz。

5）在手勢識別感測器、安全紅外照明和 3D 掃描等應用領域，開發了波長為 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：該公司成立於 1987 年，近30年來，他們提供突破性的光學技術和領先的產品，為電訊設備及服務商、光學顯示、安全系統、醫療器械、環保設備、航空及防禦體系提供光學組件、模塊及子系統。

1）在數據通信領域，開發了波長為 850 nm 的 VCSEL，傳輸距離為 550 m，數據傳輸速率達 10 Gbit/s， 有小於 0.6 W 的低功率損耗，能夠應用在高速乙太網、光纖通道以及高速數據連接等方面。

2）在感應應用領域，開發了波長為 850 nm 的 VCSEL，在低電流(7~15 mA)驅動下能夠提供高的輸出功率(1.5 mW)，頻率大於 1 GHz。

3）在手勢識別和 3D 相機應用領域，開發了波長為 860 nm 的二維 VCSEL 陣列，在室溫下能夠達到大於 500 mW 的連續輸出功率，在窄脈衝(小於 10 ns)和低占空比注入(小於 1%)條件下，可以達到 10 W 的峰值功率。此陣列在脈衝工作條件下能夠發射高斯形光束，並且上升和下降時間小於 1 ns。

Philips Photonics ：該公司成立於 1891 年，是應用於數據通信、消費和工業的 VCSEL 技術、設計和製造的全球領先製造商。公司擁有非常全面的產品組合，從用於數據通信的高速 VCSEL 到用於安全、 監控和夜視應用的紅外照明模塊，從用於感測應用的單模 VCSEL 到用於精確測量速度和距離的智能激光多普勒感測器。還有為工業加熱和光抽運應用提供紅外輻射模塊。

1）在數據通信應用領域，開發了高速 VCSEL，其中波長為 850 nm 的 VCSEL 器件有兩款產品，一款輸 出功率為 1.5 mW，速度可高達 14 Gbit/s，調製帶寬為 3 DB。另一款輸出功率為 2 mW，速度可達到 5 Gbit/s， 調製帶寬為 3 DB。除此之外，公司還提供了很多數據通信 VCSEL 陣列，根據具體要求 VCSEL 可以具有單模或多模操作，最高達到 24 mW 的光輸出功率。

2）在工業熱處理的很多應用領域，公司提供了很好的解決方案，將數十瓦到數十千瓦的紅外輸出功率聚集到特定的目標區域，能量強度在傳統的端面發射激光器和 LED 之間。該系統是基於高功率 VCSEL 陣列的模塊組合，模塊簡單並且堅固，能夠很容易地以緊湊方式集成到產品上，公司能夠根據客戶的特定需求給出量身定製的解決方案。比如應用紅外功率系統製作了准連續輸出功率為 500 W 的倒裝發光抽運模塊和連續輸出功率為 100 W 的正裝發光抽運模塊。

3） 在紅外照明應用領域，開發的 VCSEL 器件能夠達到 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換效率高等特點，主要波長有 808 nm、850 nm、940 nm 和 980 nm。該技術可以應用於監控、車牌識別和 3D 相機等。

4）在感應應用領域，開發了基於飛利浦激光多普勒技術的雙眼激光感測器產品系列。這些雙眼激光感測器可以被應用於消費者和專業產品的輸入設備，例如 PC外圍設備、遊戲應用和軌跡球設備。該公司開發的雙眼激光感測器是第一個也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的 3D動態感應導航感測器，並且符合 1 級人眼安全要求。

國內方面：江蘇華芯半導體科技有限公司於 2017 年 3 月 2 日宣布，其自主開發的 30G VCSEL 晶元 已通過客戶測試，並實現規模量產。該 VCSEL 晶元完全採用自主創新的專利技術，特別是獨有的納米層精確控制與補償外延技術和晶元 BCB 平整製程，使得該晶元具備高頻、高溫、高濕以及複雜電磁環境工作的能力，可大大降低數據中心的耗電量。此款 850 nm 中心波長的 VCSEL 晶元的主要參數為：功率大於 3.5 mW@6 mA，RMS 譜寬小於 0.4 nm，閾值電流 0.8~1.2 mA，斜率效率 0.5~0.7 W/A。

對於商用 VCSEL 產品可以將其大體劃分為三個階段：

第一階段為在 VCSEL 發現之初，由於它的獨特優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注與研究熱潮， 也成功地在很多領域取代了邊發射激光器以及 LED 的地位；

第二階段為發現了 VCSEL 易於二維集成的特性，由此使得 VCSEL 器件的輸出功率得到了前所未有的提高，解決了例如遠距離照明、醫療應用等很多領域的難題；

第三個階段為發現了 VCSEL 單器件的可調製性，使其迅速應用在了感測器等領域。希望在未來可以發現更多 VCSEL 到目前為止還未開發的新性能，使其更好地服務於我們的生活。

VCSEL國內外研究情況

自 VCSEL 概念被提出以來，其各方面的研究受到了各個研究單位的垂青，尤其是如何優化其結構性能是一大研究熱點，以下從不同優化 VCSEL 器件結構性能的方式來介紹近幾年來VCSEL 的研究現狀。

VCSEL 器件中電流分布的優化。中國科學院長春光學精密機械與物理研究對 VCSEL 研究成果匪淺， Jianwei Zhang 等人在 2014 年報告了波長約為 980 nm 的高峰值功率 VCSE 准陣列，在報告中通過優化電流分布來提高大孔徑 VCSEL 的外部量子效率，並且開發了具有 62 W 峰值功率的單器件 VCSEL 作為陣列的基本單元。陣列採用 4 個高功率 VCSEL 單管串聯連接，尺寸為 2.2 mm × 2.2 mm，在 30 ns 和 5 kHz 脈衝條件下，當電流為 110 A 時，輸出功率大於 210 W。

高世傑等人在 2016 年通過優化波長為 980 nm 的 VCSEL 單元器件結構，有效抑制了寬面 VCSEL 結構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。在此基礎上，研製出由單元器件組合封裝而成的 VCSEL「准列陣」子模塊以及集 成驅動電路的微型化 VCSEL 脈衝激光光源，該光源在脈衝驅動條件為 30 ns，2 kHz，105 A 條件下的峰值輸出功率達到 226 W，光脈衝寬度 35 ns，中心波長 979.4 nm，斜率效率達到 2.15 W/A。

VCSEL 器件中 DBR 的優化。張金勝等人在 2014 年為了實現波長為 808 nm VCSEL 的高功率輸出，對 VCSEL 的 DBR 結構材料進行了優化設計，分析了 AlxGa1?xAs 材料中 Al 組分對於折射率與吸收的影響，並最終確定了 DBR 的高、低折射率材料為 Al0.2Ga0.8As 和 Al0.1Ga0.9As，P 面 DBR 對數為 23 對， N 面 DBR 對數為 39.5 對。採用非閉合環結構製備 2 × 2 VCSEL 列陣。通過波形分析法對 VCSEL 列陣的功率進行了測量:在脈衝寬度為 20 ns、重複頻率為 100 Hz、注入電流為 110 A 的條件下，最大峰值功率 為 30 W；在脈衝寬度為 60 ns、重複頻率為 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 進行了優化設計，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 性能的優化，可以通過平衡 DBR 反射鏡各層中的電光損耗來實現，因為反射鏡必須滿足矛盾的要求：一方面，它們應當具有良好的電導來達到低電阻，這就要求提高摻雜。另一方面，由於反射鏡位於激光器的光路中，所以它們應當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後選擇 DBR 對數的最佳數量，N 面 DBR 對數 為 41 對，P 面 DBR 對數為 20 對，測試結果表明優化後的 808 nm 正裝發射 VCSEL 最大輸出功率增加了 1.7 倍，最大電光效率已經從 30%提高到 46%。

VCSEL 器件中量子阱增益及腔模位置等材料結構參數的優化。張星等人在 2016 年報道了自行研製的波長為 894 nm 的 VCSEL 以及基於此類器件的晶元級銫原子鐘系統的應用實驗結果，他們根據晶元級銫原子鐘對 VCSEL 在特定高溫環境下產生 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構參數進行了優化，確定增益–腔模失諧量為?15 nm，使器件的基本性能在高溫環境下保持穩定，研製的 VCSEL 器件指標為：20℃~90℃溫度範圍內閾值電流保持在 0.20~0.23 mA，0.5 mA 工作電流下輸出功率大於 0.1 mW；85.6℃溫度環境下激光波長 894.6 nm，偏振選擇比 59.8:1；採用所研製的 VCSEL 與銫原子作用，獲得了晶元級銫原子鐘實施激光頻率穩頻的吸收譜線和實施微波頻率穩頻的相干布居囚禁譜線。

VCSEL 器件的新型結構。Mohammad Yazdanypoor 等人在 2014 年提出了一種具有多氧化物層結構的新型 VCSEL，這種新型結構的 VCSEL 設計了 4 個氧化層並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，表明了該種結構可以實現更高的單模光輸出功率。

X.Yang 等人在 2015 年報道了小尺寸單模無氧化層的 VCSEL，該結構實現高性能的關鍵是控制光刻和消除氧化層能夠減小熱阻、電阻以及內部應力，尤其是比常規 VCSEL 更加容易控制發光孔經的大小，其在單模輸出時具有高的功率轉換效率，測試結果表明，當發光孔徑為 2 μm 時，能產生 8 mW 的單橫模功率, 功率轉換效率達到 46%，斜率效率大於 73%，閾值電流低至 300 μA。當發光孔徑為 1 μm 時，能產生大於 5 mW 的單模功率，功率轉換效率達到 37%，斜率效率大於 79%，同時這種器件還具有低結溫的優勢。此類 VCSEL 器件可用於高速光互連和高功率陣列以及需要單模操作的感測器等一系列應用。

長春理工大學的馮源等人在 2014 年設計並製備了一種波長為 980 nm 新型內腔接觸式結構 VCSEL，這種新型結構的設計是從降低等效電阻方面進行考慮，把 P 面電極設計成內腔接觸式結構，在出光孔徑為 16 μm 時，同時製備傳統結構和新型結構兩種器件並對其進行測試，傳統結構 VCSEL 的閾值電流為 11.5 mA，當注入電流為 34 mA 時，最大輸出功率達到 7.3 mW；新結構器件的閾值電流為 9 mA， 當注入電流為 35 mA 時，最大輸出功率達到 10.2 mW；新結構的閾值電流降低了 21.7%，最大輸出功率提高了 28%。結果表明，採用這種新型內腔接觸式結構能夠降低體電阻，提高輸出功率，進而可改善 VCSEL 的光電性能。

VCSEL 器件其它方式的性能優化。Kai-Lun Chi 等人在 2014 年對波長為 850 nm 的單模 VCSEL 陣列進行了研究,他們通過使用具有適當陣列間距的 Zn 擴散孔，已經同時實現了具有高連續功率 140 mW 和窄發散角 5?的圓形對稱圖案。

Yuta Aoki等人在2014年報道了質子注入型倒裝高功率VCSEL陣列，該陣列集成了635個VCSEL 單管，每個單管 VCSEL 在持續工作下的輸出功率達到了 380 mW，這些 VCSEL 單管由質子注入限定並在 5 mm × 5 mm 正方形中以 175 μm 間距的緊密排列，在准連續波的工作模式下該陣列實現了超過 200 W 的輸出功率，這個結果說明質子注入在大功率 VCSEL 陣列製備上有很高的應用前景。

蔡麗娥等人在 2016 年利用金屬有機物氣相沉積技術(MOCVD)在藍寶石襯底上生長了 GaN基 VCSEL 的多量子阱腔層結構，X 射線衍射測量顯示該多量子阱具有良好周期結構和平整界面，運用鍵合及激光剝離技術將該外延片製作成 VCSEL，頂部和底部反射鏡為極高反射率的介質膜 DBR。在室溫、 紫外脈衝激光的抽運條件下，觀察到了 VCSEL 明顯的激射現象，峰值波長位於 447.7 nm，半高寬為 0.11 nm，自發輻射因子約為 6.0 ×10?2，閾值能量密度約為 8.8 mJ/cm2。

Hai-Han Lu等人在2016年提出了一種基於56 Gbit/s LiFi (Light Fidelity可見光無線通信)傳輸技術， 該技術使用 VCSEL 發射源，能夠在 20 m的自由空間鏈路上實現低誤碼率的、清晰的 3 維視圖，這種創新性的技術在未來無線基礎設施中將會發揮更大更重要的作用，進而有效地提高傳輸速率以及自由空間 的傳輸距離。

張岩等人在 2017 年發表的文章中表明，他們設計並製備了波長為 795 nm 的單模 VCSEL，根據對 VCSEL 的光場和模式的分析和計算結果，採用 MOCVD 技術生長了外延結構，製備了不同有源區直徑的氧化限制型 VCSEL 晶元並進行了測試。

當有源區直徑從 6 μm 減小到 3 μm 時，VCSEL 晶元的邊模抑制比(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。有源區直徑為 6、5、4 和 3 μm 的 VCSEL 晶元的輸出功率分別為 0.37、0.46、0.58 和 0.44 mW，有源區直徑為 4 μm的 VCSEL 晶元的遠場為圓形光束，發散角為 15?，85℃時 3.5 μm 有源區直徑的 VCSEL 晶元輸出功率為 0.125 mW， 激射波長為 795.3 nm，室溫3 dB 帶寬，大於 8 GHz，滿足了銣原子感測器對 VCSEL 單模光譜、輸出功率及調製速率的要求。

總結：隨著市場對VCSEL的需要日益多樣化，國內外各大公司以及研究機構均是順應潮流對其進行深入研究，優化VCSEL性能以及提高輸出功率。相信在不久的未來，VCSEL將會有更好的發展，為我們的生活提供更多的便利。

參考文獻：王陽, 崔碧峰, 房天嘯. 垂直腔面發射激光器(VCSEL)的研究進展[J]. 光電子, 2017, 7(2): 50-57.

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