《垂直腔表面发射激光器(VCSEL)论文》

VCSEL，即垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），是一种新型的半导体激光器。

与传统的边射激光器相比，VCSEL具有工作电流低、发射功率高、波长稳定性好等优点。

因此，在光通信、光存储、激光雷达等领域得到了广泛应用。

本文将对VCSEL的相关研究进展进行综述。

一、VCSEL的基本结构VCSEL的基本结构如图1所示，它由一个反射镜和一个半透明的输出镜组成，两者之间夹着一个活性层。

当电流通过活性层时，会产生光子并被反射镜和输出镜反复反射，最终沿着垂直于半导体表面的方向发射出去。

由于VCSEL的发射光是垂直于表面的，因此它可以方便地集成在芯片上，而不需要像传统边射激光器那样复杂的耦合结构。

二、VCSEL的制备技术目前，VCSEL的制备技术主要包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）和激光转移等。

MOCVD是目前最为常用的制备技术，它可以在大面积衬底上均匀生长VCSEL结构，并且可以控制材料的组成和掺杂浓度。

MBE则是一种高精度的制备技术，可以实现更加复杂的结构设计和更高的材料质量。

激光转移则是一种新兴的VCSEL制备技术，它可以将已经生长好的VCSEL结构转移到另一个晶片上，从而实现高效率、低成本的制备。

三、VCSEL的性能优化为了进一步提高VCSEL的性能，研究人员提出了很多性能优化的方法。

其中，最为有效的方法是采用光子晶体结构。

光子晶体结构可以通过调整材料的周期性排布来抑制特定波长的光在器件中传播，从而增强VCSEL的单模性能和波长选择性。

此外，还有其他一些方法，如采用高反射镜、优化输出镜结构和调节活性层厚度等方法，也可以有效地提高VCSEL的性能。

四、VCSEL的应用VCSEL由于其发射功率高、波长稳定性好等优点，在光通信、光存储、激光雷达等领域都得到了广泛应用。

在光通信领域，VCSEL 可以用于短距离高速数据传输；在光存储领域，VCSEL可以用于读写头和激光打印机等设备；在激光雷达领域，VCSEL可以用于测距和三维成像等应用。

850nm垂直腔面发射激光器布拉格反射镜的优化摘要：为了降低垂直腔面发射激光器（VCSEL）内部热损耗、阈值电流密度，本文利用MATLAB软件来仿真垂直腔面发射激光器的反射镜——分布式布拉格反射器（DBR）。

同时从DBR材料的选取、构成DBR周期性对数的选择、DBR反射率对VCSEL阈值电流密度的影响三个方面对DBR进行优化设计，以此来达到降低内部热损耗、降低阈值电流密度、提升器件性能的目的。

通过对DBR的研究分析，对高性能的850nm VCSEL的研制提供帮助。

关键词：垂直腔面发射激光器分布式布拉格反射器热损耗阈值电流密度1.引言垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有阈值电流低、动态单纵模工作、可形成二维面阵、容易得到圆对称出射光束、光纤耦合效率高、调制速率高、阵列可寻址和其他器件兼容性好等优点，是中短距离光通信的理想光源，也是当前半导体光电子器件中注目的前沿课题。

随着薄膜生长技术（MBE、MOCVD、CBE 等）的发展、器件制备技术的成熟，使得VCSEL具有良好的半导体微腔结构，从而大大降低了VCSEL器件的阈值电流，进而提升了器件的性能、提高了器件的可靠性、成本随之不断降低。

加之其便于封装和高调制带宽的特点，使得VCSEL技术在光通信、光互联、光信号处理以及光集成元件等方面有着极为广泛的应用前景。

同时，随着因特网的飞速发展，850nmVCSEL在城域网和接入网中的应用必将更加广泛[1-4]。

本文的研究重点是如何优化DBR，主要集中在DBR材料的选取、构成DBR 周期性对数的选择以及DBR反射率对VCSEL阈值电流密度的影响三个方面。

通过选择晶格失配小、折射率差值大的材料；以及仿真分析周期性对数对反射率、反射频谱以及反射率对阈值电流的影响，并以此为基础来优化DBR。

2.VCSEL的阈值公式以及DBR反射率公式2.1 VCSEL的阈值公式[5-7]（1）式中：M为量子阱的阱数，为阱宽，是电流利用系数，载流子寿命，表示有源区的载流子浓度，自发辐射系数，光的群速度，内部损耗，L为VCSEL的腔长。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究进展与应用1.VCSEL的发展历史和优势半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到广泛的应用，研究人员在边发射激光器( Edge Emitting Laser，EEL) 的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。

因此，在1977年日本东京工业大学教授Klga提出了一种VCSEL的概念，并在1979年采用GaInAsP材料体系在77K温度下首次实现脉冲输出。

VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。

在这样的面发射半导体激光器结构中，光的输出端和器件底端都需要反射镜，而反射镜的高反射率对降低阈值电流密度起着非常巨大的作用。

因此，人们针对高反射率的反射镜进行了各种研究，例如介质膜分布式布拉格反射镜( Distributed Bragg Reflectiors，DBR)、半导体DBR、复合反射镜以及金属膜反射镜等。

GaAs材料体系的VCSEL从1983年开始研究到1986年实现低阈值的微腔操作，这期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。

到了1988年VCSELs器件采用多层SiO2/TiO2介质膜DBR首次实现了850nm的室温连续激射；然而，虽然数对介质膜DBR即可实现高反射率，但是这种结构不导电且散热性差，为了改进这一状况，1986年年首次实现了AlGaAs/GaAs DBR 的VCSEL器件，由于p型AlAs/Al0.1Ga0.9AS DBR具有较高的势垒电阻，因此该器件只在n 侧使用半导体DBR，而另一侧反射镜采用Au/SiO2镜面组成。

为了改进半导体DBR的势垒电阻问题，许多研究机构进行了报道，其中代表性的器件是采用高浓度Zn 掺杂的AlAs层制备p型DBR；此外，为了避免DBR的高势垒电阻问题，VCSEL器件采用光泵浦方式工作，或者减少一侧DBR的层数和一个外部输出耦合镜相结合，实现连续输出。

少模垂直腔面发射激光器及优化台面排布的面发射激光阵列的研究垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)具有许多出众的光学和电学特性,如单纵模出射,阈值电流低,发散角小,圆形光斑,稳定性高以及调制速率高等,这使得VCSEL成为3D成像,光通讯网络等应用的核心部件。

本论文主要针对850nm波段少数横模独立控制垂直腔面发射激光器以及台面排布方式经优化的980nm、808nm垂直腔面发射半导体激光阵列的器件结构设计、优化算法设计、工艺制作,性能分析及等方面进行了研究。

本论文主要研究内容和成果如下:1、对于光纤通信领域中的模式复用技术,我们充分利用VCSEL的横向尺度比较大这一特点,提出一种新型的,更加经济的少模VCSEL光源,以实现少数横模以及偏振独立控制输出,有望简化甚至免除模式复用系统中复杂的复用光路或复用器,同时可以省去VCSEL阵列光源的使用。

我们采取了直接刻蚀沟道对台面进行分割的方法,实现了横模独立控制这一功能,其原理是:大氧化孔径的VCSEL可以同时支持多个模式出射。

因此,可以对VCSEL台面进行分割,形成若干个作为光波导的次台面,并在每个次台面上生长电极,每个电极独立加电时,电流将只通过对应的次台面进入到有源区。

因此,在单个次台面下的对应的区域,将有一个载流子集中分布区(激射区),激光只从该区域出射。

同时,沟道中是折射率远小于GaAs的空气,因此可以对单个次台面出射的光有光场限制的作用。

2、使用COMSOL Multiphysics科学计算软件,模拟了经沟道分割的VCSEL的电流传输及分布情况。

研究了不同尺寸的氧化孔径以及不同宽度和深度的沟道对有源区电流分布的影响。

模拟结果与设想一样,台面分割造成的极不均匀的电流密度分布,而氧化孔径尺寸比起沟道尺寸对电流密度分布的不均匀度的影响更明显。

同时,对单个次台面进行模式分析,结果表明激射区的大小决定了所能激发的激光模式数量,激射区的形状决定了出射模式的形状,而激射区的方向决定了出射模式的偏振方向。

vcsel的封装工艺VCSEL是垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）的简称，是一种新型的激光器封装工艺。

VCSEL的封装工艺在光通信、光传感、3D感测等领域得到广泛应用。

本文将从VCSEL的封装工艺的定义、封装过程、封装工艺的发展等方面进行探讨。

一、VCSEL封装工艺的定义VCSEL的封装工艺是将VCSEL芯片封装到封装基座中，以保护芯片并便于连接和使用。

封装工艺的好坏直接影响到VCSEL的性能和可靠性。

目前常见的VCSEL封装工艺有TO封装、CAN封装、C-Mount封装等。

二、VCSEL封装过程VCSEL封装的一般过程包括芯片选取、背面处理、金属化、球栅键合、焊接、环氧封装等步骤。

首先，从生产中选取优质的VCSEL芯片，然后对芯片进行背面处理，以提高散热效果。

接下来，在芯片的金属化过程中，通过蒸镀金属来形成电极，以便与外部电路连接。

然后，通过球栅键合技术将芯片与基座连接起来。

最后，利用焊接技术将电极与外部引线连接，并使用环氧树脂进行封装，以保护芯片。

三、VCSEL封装工艺的发展随着VCSEL技术的不断发展，其封装工艺也在不断改进和创新。

早期的VCSEL封装工艺主要采用TO封装，这种封装方式简单易行，但散热效果较差。

随着技术的进步，CAN封装和C-Mount封装逐渐兴起。

CAN封装在VCSEL芯片的背面加入散热底座，提高了散热效果，适用于高功率VCSEL的封装。

C-Mount封装则采用薄膜底座和焊接技术，具有更好的热导性能和可靠性，适用于高速通信领域。

四、VCSEL封装工艺的优势VCSEL封装工艺具有以下优势：首先，VCSEL芯片尺寸小，可以进行高密度封装，提高集成度。

其次，VCSEL封装工艺成本低，生产效率高。

此外，VCSEL封装工艺还具有良好的热导性能和可靠性，能够适应高功率、高速等特殊工作环境。

总结：本文对VCSEL的封装工艺进行了介绍，从定义、封装过程、发展趋势等方面进行了探讨。

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器沈少棠北京工业大学应用数理学院 000611指导教师：宋晏蓉摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。

关键词激光器，半导体，垂直外腔面一、引言垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。

端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。

它优于端面发射激光器的表现在：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构图1为VCSEL的结构示意图，由布拉格反射镜，有源层和金属层接触组成。

其衬底的选择有以下3种。

1、硅衬底 在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。

这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。

日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的密度。

2、蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。

3、砷化钾衬底 基于砷化钾（GaAs）基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上。

但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 微米。

发射波长1.3 微米的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。

标题: 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用发信站: 紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43 星期三), 站内信件垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉 ( 中国科学院半导体研究所北京100083 ) 摘要：垂直腔面发射激光器VCSEL 具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL 的优良性能从而获得 了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述 关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连1 引言近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s)及至兆兆比特/秒(Tbit/s)光 纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要 求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL)应运而生1979年东京工业大学的Iga 提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988 年研制出首枚VCSEL 器件自诞 生 之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发 中去 使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进 入市场据美国Cousultancy ElectroniCast 公司最近预测[1] 仅就用于全球消费的VCSE L 基光 收发机而言2003 年VCSEL 将达到11.43 亿美元2008 年将达到近60 亿美元2 垂直腔面发射激光器性能及结构2 . 1 垂直腔面发射激光器的特性垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 简称VCSEL)及其阵列 是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL 与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面(见图1)[2] 与此相反VCSEL 的发光束垂直于芯片表面(见图2) 这种光腔取向的不同导致VCSE L 的性 能大大优于常规的端面发射激光器 图1 端面发射的常规半导体激光器图2 垂直腔面发射激光器 这种性能独特的VCSEL 易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以 实 现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实 与多模光纤的耦合效率大于90% 而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非 对称的128 飞通光电子技术2001 年9 月 因此很难提高其耦合效率由于VCSEL 的光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽的 温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面 发射 激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可 大 大降低器件功耗和热能耗由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片 解理封 装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺 与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成2 . 2 V C S E L 的基本结构典型的VCSEL 结构示于图3[2] 通常仅约20nm 厚的三量子阱发光区夹在称之为Bragg 反射器的两组高反射率平面镜 之间顶部和底部的Bragg 反射器由交替生长的不同X 和Y 组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层 的Bragg 波长附近的反射率达到极高( 99%)的水平Bragg 反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制 作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的 偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻 有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以 便获得最大的受激辐射效率。

60908012, 61575008, 61775007)、北京市自然科学基金 (批准号: 4172011) 和北京市教育委员会 (批 准号: 040000546319525, 040000546618006) 资助的课题.
† 通信作者. E-mail: gbl@
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 69, No. 6 (2020) 064203
表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性*
王志鹏 张峰 杨嘉炜 李鹏涛 关宝璐†
(北京工业大学信息学部, 光电子技术教育部重点实验室, 北京 100124)
(2019 年 11 月 25 日收到; 2019 年 12 月 24 日收到修改稿)
2 器件结构设计与制备
图 1 为表面液晶-VCSEL 阵列的结构示意图, 本实验所用器件结构采用金属有机物化学气相淀 积技术在 n 型 GaAs 衬底上外延生长而成. 从 GaAs 衬底自下而上依次生长 n 型分布布拉格反射镜 (DBR)、有源区、氧化限制层、p 型 DBR 和欧姆接 触层. 其中 n 型 (Si 掺杂) DBR 由 34.5 对 Al0.90Ga0.10 As/Al0.12Ga0.88As组成, 有源区由 3 对 6 nm 厚的 GaAs 量 子 阱 和 8 nm 厚 的 Al0.30Ga0.70As 势 垒 构 成 , 其 中 心 波 长 为 850 nm, p 型 (C 掺 杂 ) 掺 杂 DBR 由 21 对 Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 组 成 . 而 位 于 有 源 区 和 p 型 DBR 之 间 的 氧 化 限 制 层 (Al0.98Ga0.02As)厚 30 nm, 经过湿氮氧化工艺后形 成 AlxOy 层, 从而形成电流和光场的分布限制.

垂直腔面发射激光器的偏振控制及两垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种非常重要的光学器件，在通信、计算机和生物医学等领域都有广泛的应用。

VCSEL的一个重要的特点是其发射光的偏振性，因此对VCSEL的偏振控制具有重要意义。

本文将对VCSEL的偏振控制及相关研究进行介绍，同时介绍两篇关于VCSEL偏振控制方面的研究论文。

一、VCSEL的偏振性介绍VCSEL的偏振性源于其特殊的腔结构。

VCSEL的腔结构是由两个反射镜组成的，在这两个反射镜之间充满了半导体材料。

当腔内的电流被激发并在半导体材料中游走时，会激发出产生相干发射光的激子。

这些激子会在反射镜之间来回反射，并引起VCSEL的光学增益。

由于这两个反射镜的垂直性，VCSEL的发射光具有很高的垂直偏振性。

此外，VCSEL的腔结构还使得发射光的横向偏振不稳定，通常是不确定的甚至退化为自然态。

二、VCSEL偏振控制的方法VCSEL的偏振控制是一个很有挑战性的问题，因为它需要在VCSEL的腔结构中引入新的元件或调制结构。

基于这个需求，研究者们开发了多种VCSEL偏振控制的方法。

1. 频率选择表面反馈调制法频率选择表面反馈调制法（FSR-DFB）是一种有效的VCSEL偏振控制方法。

这种方法将附加的反馈结构嵌入到VCSEL的腔结构中。

再通过对反馈结构和VCSEL的结构进行优化，可以实现对VCSEL发射光偏振的控制。

2. 格点优化调制法格点优化调制法（GOG）是一种通过调制VCSEL的外部光栅来实现偏振控制的方法。

外部光栅被设计成旋转角度不同的带有大致相等的荧光井。

通过这种方法可以得到高度稳健的VCSEL偏振控制。

3. 电流调制法电流调制法是一种通过调制VCSEL注入电流的大小和相位来实现偏振控制的方法。

通过不同的电流波形和幅值，可以实现不同的偏振控制效果。

但是，这种方法可能导致VCSEL的温度变化和噪声增强等不利影响。

三、两篇VCSEL偏振控制方面的论文介绍1. “半导体激光器中的自发电流磁场对光学生长法偏振控制的影响”该研究指出，半导体激光器中的自发电流磁场既可以减弱光学生长法的偏振控制效率, 也可以调节光学生长法偏振的方向。

808-nm垂直腔面发射激光器的结构设计与研制垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边发射半导体激光器相比有很多优点，如阈值低、没有光学灾变损伤以及可以二维集成等。

808-nm半导体激光器主要用于泵浦固体激光器，但由于对808-nm VCSEL的研究近几年才被积极开展，所以关于808-nm VCSEL的研究报道特别少。

本论文围绕808-nm波段的GaAs基VCSEL，对量子阱和分布布拉格反射镜（DBR）的设计、VCSEL整体结构设计和输出特性模拟，以及所设计结构的外延生长和制备工艺等进行了深入系统的研究，取得的主要成绩和创新性成果如下：1.为实现VCSEL在808-nm波长的激射，设计了非应变GaAs/Al_0.3Ga_0.7As、张应变GaAs_xP_1-x/Al_0.3Ga_0.7As和压应变In_1-x-yGa_xAl_yAs/Al_0.3Ga<s ub>0.7</sub>As量子阱。

然后理论计算了三种量子阱材料的带隙、带阶、量子化子能级，并确定了GaAs阱宽为4nm、GaAs_0.87P_0.13阱宽为13nm、In_0.14Ga_0.74Al₉0.12)As阱宽为6nm时，量子阱在室温下激射波长在800nm左右。

Optoelectronics 光电子, 2017, 7(2), 50-57Published Online June 2017 in Hans. /journal/oehttps:///10.12677/oe.2017.72008Research Progress of VCSELYang Wang, Bifeng Cui, Tianxiao FangKey Laboratory of Opto-Electronics Technology, Ministry of Education, Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology, BeijingReceived: May 20th, 2017; accepted: Jun. 3th, 2017; published: Jun. 8th, 2017AbstractThis paper gives an introduction to the progress of VCSEL mainly including the VCSEL commercial products and performance optimization of research area in recent years based on overall review of recent research reports for the VCSEL and the commercial VCSEL products of major companies.KeywordsVCSEL, High Power, Application, Array垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展王阳，崔碧峰，房天啸北京工业大学信息学部，省部共建光电子技术教育部重点实验室，北京收稿日期：2017年5月20日；录用日期：2017年6月3日；发布日期：2017年6月8日摘要通过对近几年研究单位报道的VCSEL的研究成果以及目前各大公司的商用VCSEL产品进行分析总结，重点介绍了VCSEL的商用产品以及研究领域其性能优化情况，综述了近几年VCSEL的研究进展。

2024年垂直腔面发射激光器市场需求分析引言垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）是一种半导体激光器，具有自发辐射相干、高速调制等特点。

随着通信、光电子设备等行业的发展，垂直腔面发射激光器的市场需求也日益增长。

本文将对垂直腔面发射激光器市场需求做出分析。

市场规模根据市场研究数据显示，全球垂直腔面发射激光器市场规模呈现稳步增长的趋势。

2019年，市场规模约为10亿美元，预计到2025年将达到30亿美元。

这主要得益于通信和光电子设备市场的快速发展以及对高速、高性能激光器的需求。

市场驱动因素1. 高速通信市场的发展随着5G技术的快速推广和云计算、物联网等技术的不断发展，对高速通信设备的需求不断增加。

垂直腔面发射激光器作为高速调制能力较强的光源，被广泛应用于光纤通信和数据中心等领域。

2. 光电子设备市场的扩大随着光电子设备在医疗、工业、汽车等领域的应用不断扩大，对垂直腔面发射激光器的需求也在增加。

例如，医疗领域的激光治疗设备、工业领域的激光雷达、汽车领域的激光传感器等都需要高性能的激光器支持。

3. 消费电子市场的需求随着消费电子产品的智能化和个性化趋势，人们对高质量、高性能的光电子设备的需求不断增加。

例如，虹膜识别、3D人脸识别等技术的广泛应用促使了对高功率、高稳定性的激光器的需求增加，而垂直腔面发射激光器正能够满足这一需求。

市场竞争格局目前，全球垂直腔面发射激光器市场竞争激烈，主要厂商包括美国的Finisar Corporation、II-VI Incorporated、Lumentum Holdings Inc.，日本的日亚化学株式会社等。

这些厂商在技术研发、产品创新、市场渠道等方面具有一定优势，形成了市场竞争格局。

市场前景未来，垂直腔面发射激光器市场将继续保持快速增长。

首先，5G技术的商用化将加速垂直腔面发射激光器在通信领域的应用。

0引言(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser),,,,[1-3],,VCSEL、、、[4-5]。

,VCSEL,VCSEL。

VCSEL,VCSEL60nm 。

1VCSEL结构设计1850nm VCSEL。

GaAs、34n-DBR、(Al0.3Ga0.7As/GaAs)、、2.5p-DBR()、、、16.5P-DBR。

VCSEL,VCSEL,VCSEL[6]。

图1内腔亚波长光栅VCSEL结构2光栅参数对波长调谐范围的影响2VCSEL,Λ=200nm, (/)η=0.55,TE。

100nm150nm波长可调谐垂直腔面发射激光器王超素郑逸江孝伟(衢州职业技术学院,浙江衢州324000)【摘要】实现VCSEL波长可调谐是现今VCSEL研究领域的热点之一,本文提出利用内腔亚波长光栅提高了VCSEL的波长调谐范围。

经过模拟计算当光栅周期当栅周期为Λ=200nm,占空比(光栅条宽/光栅周期)η= 0.55,厚度h=100nm时,VCSEL波长调谐范围可以达到最优,相比于无内腔亚波长光栅VCSEL的波长调谐范围有了显著提高。

这可以为以后实际的器件制备提供理论依据。

【关键词】VCSEL;波长调谐范围;亚波长光栅中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:2095-2457(2019)26-0030-002DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2019.26.014※基金项目:浙江省教育厅一般科研项目(Nos.Y201738091,Y201839950)。

作者简介:王超素(1983—),女,浙江衢州人,从事半导体光电子器件的研究。

30Science&Technology Vision 科技视界,VCSEL,100nm,VCSEL60nm,150nm,40nm。

100nm。

图2光栅厚度对VCSEL波长调谐范围的影响图3光栅占空比对V CSEL波长调谐范围的影响h=100nm、Λ=200nm、TE,, VCSEL,3。

□Information and Communications Technology and Policy No.10SPECIAL TOPIC1引言自2017年苹果iPhone X推出3D感测人脸识别后，其带来的“无感解锁体验”获得消费者认可，3D感测技术也迅速引爆供应链。

特别是作为3D感应（3D Sensing）关键技术之一的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）立即获得厂商投入。

iPhone X并非苹果首款商业化VCSEL的产品。

苹果在其Air Pods蓝牙无线耳机中已经率先应用了VCSEL技术，用于探测用户是否佩戴AirPods耳塞，以自动关闭未佩戴的耳塞从而实现省电；iPhone8也包含了一个前置低端VCSEL激光器和一个后置高端VCSEL激光器。

VCSEL市场被引爆，在多个场景的应用也显示出其无穷潜力。

在iPhone计划全面采用VCSEL后，国内外智能手机品牌也相继跟进，开始整合3D感测技术并已经展开供应链结盟与合作。

结合VCSEL未来广阔的应用场域（AI、物联网、车联网、生物辨识、便携电子产品等），VCSEL市场规模预计从2017年的6.52亿颗攀升至2023年的33亿颗，年均复合增长率（CAGR）将达到31%。

2018年1月，工业和信息化部电子信息司发布《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》，分析了光电子器件产业的发展现状，研判行业发展的重点和难点，制定了光电子器件行业未来5年的发展目标。

其中提到“加强核心有源激光器、硅基光电子芯片及上游关键材料等设计、制造工艺平台建设与工艺人才培养”，以及“完善技术标准、知识产权体系建设”，显示出国家对于激光器知识产权能力储备的积极重视。

本文通过对全球VCSEL专利布局进行分析，借鉴其国际发展经验提出推动我国光器件领域知识产权能力建设的几点建议，以提升我国光器件产业的发展轨迹与话语权。

GaN垂直腔面发射激光器的发展与挑战目录1.内容概括．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.1 研究背景与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.2 国内外研究现状及发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.GaN材料特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.1 GaN基本性质．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2 GaN在激光器中的应用优势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.3 GaN生长及制备技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．73.垂直腔面发射激光器原理及结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83.1 VCSEL基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.2 VCSEL结构与特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113.3 VCSEL在GaN材料上的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.GaN垂直腔面发射激光器的发展历程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 4.1 初始阶段．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 4.2 技术突破与进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154.3 商业化应用及产业化现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．165.GaN垂直腔面发射激光器的挑战．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 5.1 材料生长与器件制备难度高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.2 器件性能稳定性及可靠性问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．205.3 成本控制与商业化推广难题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．215.4 市场竞争与技术创新压力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．226.GaN垂直腔面发射激光器的应用前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．236.1 通信设备中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．246.2 消费电子领域的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．256.3 光电集成及光互联领域的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．277.研究展望与建议．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．287.1 进一步突破技术瓶颈．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．297.2 加强产学研合作与成果转化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．317.3 加大政策支持与资金投入力度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．327.4 关注市场需求，推动产品升级与创新．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．331. 内容概括本段落简要概述了GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）的发展历程及当前面临的挑战。

面发射激光器vcsel综述华侨大学 08光电 ARSON摘要近年来由于高速光网络的快速发展，使人们对一种新型的半导体激光器一一垂直腔面发射激光器(VCSEL)给予了更多的关注，已成为研究开发的热点。

本文介绍了VCSEL的发展进程、基本结构及较之于侧面发射激光器(包括与LED作比较)的优势，以及其发展历程和应用。

关键词VCSEL；光接收机；应用；优缺点；一、引言VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser, VCSEL)，简称面射型激光器，是一种垂直表面出光的新型激光器，是光纤通讯所采用的光源之一。

在VCSEL诞生之前，传统的边发射激光器一直在光通信中扮演着主要角色。

尽管这些年来，边发射激光器在结构优化，制造技术，工作特性以及应用领域方面都取得了巨大进展，但仍存在一些不足。

比如在芯片解理之前，不能进行单个器件的基本特性测试；光束发散角过大且呈椭圆状；不易构成二维光源阵列；而且制造成本也仍然偏高。

正是在这样的背景下诞生了垂直腔面发射的激光器。

VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。

因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。

二、Vcsel的发展历程1977年东京工业大学的伊贺教授首先提出垂直面射式激光的概念。

在1979年由Soda, Iga, Kitahara andSuematsu （Soda 1979）所发表，使用液相外延技术(LPE) 实现InGaAs／InP材料的VCSEL在液氮温度77K下脉冲激射，阈值电流900mA 。

1984年伊贺实验室做出的A1GaAs／GaAs室温面射型脉冲激射激光，自此VCSEL发展才打开了新的纪元。