垂直腔面发射激光器

2024年VCSEL芯片市场分析现状1. 简介垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片是一种重要的光电子器件，具有高性能和广泛的应用领域。

本文将对VCSEL芯片市场的现状进行分析。

2. 市场规模VCSEL芯片市场近年来快速增长，主要原因是其在通信、传感和人脸识别等领域的广泛应用。

根据市场研究公司的数据显示，2019年全球VCSEL芯片市场规模达到XX亿美元。

预计在未来几年内，VCSEL芯片市场将继续保持稳定增长。

3. 应用领域3.1 通信VCSEL芯片在光通信领域具有重要地位。

其优势包括高速率、低功耗和高集成度等特点。

目前，VCSEL芯片在数据中心和千兆以太网等领域得到广泛应用。

随着5G 网络的部署和对高速光通信需求的增长，VCSEL芯片的市场需求将进一步增加。

3.2 传感VCSEL芯片在传感领域也有广泛的应用。

它可以作为激光雷达、光学测距和手势识别等传感器的关键组件。

这些应用领域的快速发展，推动了VCSEL芯片市场的增长。

3.3 人脸识别随着人脸识别技术的快速发展，VCSEL芯片在人脸识别设备中得到广泛应用。

VCSEL芯片由于其高精度和高稳定性的特点，使其成为人脸识别设备的重要组成部分。

预计未来人脸识别市场的持续增长将进一步推动VCSEL芯片市场的发展。

4. 主要厂商在全球VCSEL芯片市场中，有一些主要的厂商占据着主导地位。

其中，美国公司II-VI、Finisar和Lumentum等厂商是全球最大的VCSEL芯片供应商。

此外，欧洲的ams和德国的VCSEL Technologies等公司也在VCSEL芯片市场中占有较大份额。

5. 持续创新VCSEL芯片市场的竞争激烈，厂商们不断进行创新以提升产品性能。

通过提高功率、增加波长范围和降低成本等策略，VCSEL芯片的市场份额得到不断扩大。

未来，随着技术的进步和市场需求的不断增长，VCSEL芯片市场仍将保持活力。

6. 综述和展望总之，VCSEL芯片市场在通信、传感和人脸识别等领域具有广泛的应用前景。

vcsel芯片VCSEL芯片（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）又称垂直腔面射出激光器芯片，是一种具有独特结构和性能的半导体激光器。

与传统的边射激光器相比，VCSEL芯片具有许多优势，例如低功耗、高效能、远场模式、高速调制等，因此在许多应用领域得到广泛应用。

VCSEL芯片的基本结构是由多个半导体材料构成的层状结构。

在VCSEL芯片的正面和背面各有一对高反射膜，形成垂直腔结构。

激光光子在垂直方向上被反射回芯片内，而在水平方向上透过高反射膜射出。

这种结构使得VCSEL的发光相对较为均匀，且光束质量较高。

一、VCSEL芯片的特点1. 高效能：VCSEL芯片的光电转换效率高，发光效率可以超过50%，相较于传统的边射激光器更为高效。

2. 低功耗：VCSEL芯片的工作电流较低，传输功率较小，可以在过程中降低能源消耗。

3. 高速调制：VCSEL芯片具有快速的调制速度和高速的响应时间，适合用于高速通信和数据传输。

4. 调制带宽宽广：VCSEL芯片能够在多个纳秒的时间范围内实现高速调制，适用于各种光纤通信和数据传输。

5. 易于集成：VCSEL芯片可以与其他传感器、光学元件等集成在一起，形成多功能的光电子器件。

6. 高温稳定性：相较于传统边射激光器，VCSEL芯片具有更好的热稳定性，可以在更宽的温度范围内工作。

二、VCSEL芯片的应用领域1. 光纤通信：VCSEL芯片在光纤通信领域得到广泛应用，特别是在光纤通信模块中用作光源。

其高效能、低功耗和高速调制的特点使其成为光纤通信模块的首选光源。

2. 数据中心：VCSEL芯片在数据中心的高速网络和光纤通信系统中用作数据传输的光源，可以实现大容量、高速率的数据传输。

3. 手机前置摄像头：VCSEL芯片被广泛应用于手机前置摄像头的ToF（Time of Flight）深度感应模块中，用于实现人脸识别、AR（增强现实）和其他3D传感功能。

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。

vl53l0x原理
VL53L0X激光测距模块的原理是利用激光脉冲的飞行时间来测量距离。

该模块通过发射一束激光脉冲，并测量该激光脉冲从发射到被接收的时间来计算出物体与传感器之间的距离。

具体来说，VL53L0X模块使用VCSEL（垂直腔面发射激光器）发射出激光，激光碰到障碍物后反射回来被模块接收，通过测量激光在空气中的传播时间，从而得到物体的距离信息。

VL53L0X具有高度集成、高测量精度、快速测量速度、多种工作模式和多级测量范围等特点，使其适用于许多领域，如自动驾驶和智能交通系统、无人机避障、机器人导航等。

４ 实 验 结果
实验 中使用了中国台湾 Ｔ ￣ｇｔ ｍｅ ｈ 公司生产
的 ，１ ＩＲ一１ ２ ０ ０型 Ｖ Ｓ Ｌ 测 出一 系列该 激 １ Ｂ ３— ０ ＣＥ ，
像显示及数据传输系统 ， 即得 到 Ｖ Ｓ Ｌ的光功 ＣＥ
率 一电流特性 （ Ｐ—Ｉ 曲线 ； 出 Ｖ Ｓ Ｌ两 端 的 ） 取 ＣＥ 电压 ， 送图像显示及数据传输 系统 ， 即得到 Ｖ － Ｃ Ｓ Ｌ的伏安特性 （ Ｉ 曲线。测试结果通过数 Ｅ Ｖ— ）
刘 磊 赵 志敏 张存 善 ， ，
１ 南京航 空航天大学， ． 南京 ２０ １ １０ ６ ２ 河北工业大学， ． 天津 ３０ ３ ０ １０
摘 要： 根据垂 直腔 面发射激光器 （ Ｃ Ｅ ） Ｖ Ｓ Ｌ 的工作特性 ， 计 了一种新 型的易 于实验 室普及使 用的 Ｖ ． 设 Ｃ
Ｓ Ｌ特性测试系统 ， Ｅ 并对 Ｖ Ｓ Ｌ进行测试 ， ＣＥ 得到 了相关测试 曲线 。该 系统使用方便 ， 成本适 中， 有重要 的实 际应用价值 。 关键词 ： 垂直腔面发射激光器 ；Ｖ Ｓ Ｌ特 性；测试 系统 ＣＥ
２ Ｖ Ｓ Ｌ及其工作 特性 ＣＥ
３ Ｖ Ｓ Ｌ特性测试 系统 ＣＥ
Ｖ Ｓ Ｌ作为半导体激光器的一种 ， ＣＥ 主要考虑 ３ １ 系统构 成 ． 的工作特性有 ： 电压 Ｖ和注入电流 Ｉ 端 的关系曲 该测试系统主要由三部分组成： 锯齿波稳流 线（ Ｉ Ｖ— 曲线） 输出光功率 Ｐ与注入 电流 Ｉ 电源 （ａ ｔ ｔ ｗ ｖ ｔ ｌ ｃｒ ｎ Ｓ ｒ ） 光 、 的 ｓ ｗ— ｏ ｈ ａｅｓ ｂ ｕｒ ｔ ０ ｃ 、 ｏ ａｅ ｅ ｕ ｅ 关系曲线 （ — 曲线 ） Ｐ Ｉ 以及光谱特性等 。 电探测电路和图像显示及数据传 输系统 （ ａｅ ｉｇ ｍ Ｖ Ｓ Ｌ的 Ｖ— 曲线与发光二极管相似 ， ＣＥ Ｉ 典 ｄｓｌ ｎ ａ ａｓ ｉ ｉ ｙｔ 。系统 的构 ｉ ａ ａｄｄｔ ｔ ｎｍｓ ｏ ｓｓ ｍ） ｐｙ ａｒ ｓｎ ｅ 型的 Ｖ— 曲线如 图 １ Ｉ 所示 。由图 １可见 ， Ｃ Ｖ － 成框图如图 ３ 所示 。 Ｓ Ｌ的端 电压 Ｖ 随 注入 电流 Ｉ Ｅ 的增 加 而迅 速 上 ３ ２ 工作原 理 ． 锯齿波稳流电源输 出一个稳定线性的锯齿 升， 然后趋于缓和平稳。典型的 Ｐ— 曲线如图 ２ Ｉ 在每一个周期 内， 电流值 与时间成 良 所示。由图 ２可见， 当注入 电流逐渐增加时 ， 输 波加到某一 值时， 输出光功率急剧增加 ， 这个 电流称为 阈值 电流 ， Ｉ表示 。Ｖ Ｓ Ｌ的阈值电流很小 ， 以 用 ＣＥ 可 达 到几 ｍ Ａ。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)简介及行业发展趋势
童吉楚
【期刊名称】《厦门科技》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】VCSEL简介及应用垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)是一种激光发射方向垂直于P-N结平面而谐振腔面平行于P-N结平面的半导体激光器。

1977年,日本东京工业大学的伊贺健一教授提出VCSEL的概念,随后相关的研究如火如荼地展开。

1979年,首个VCSEL采用LPE制备,波长1300nm左右,但只能在低温(77K)激射;1983年.
【总页数】5页(P31-35)
【作者】童吉楚
【作者单位】厦门乾照光电股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN2
【相关文献】
1.对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的应用探讨
2.垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展
3.内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器
4.利用边发射光致发光谱研究垂直腔面发射激光器材料的特性
5.基于垂直腔面发射激光器的高速率并行光发射模块(英文)
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

vcsel工艺制程在今天的微电子行业，光通信系统已经成为数据传输的重要组成部分。

在光通信领域中，有一种名为VCSEL（垂直腔面发射激光器）的半导体激光器被广泛应用于光通信、光互连、光存储和光计算等领域。

下面，我将为您介绍VCSEL工艺制程的关键步骤。

1. 衬底制备：VCSEL的制造需要高质量的衬底，通常采用GaAs（砷化镓）或InP（磷化铟）作为衬底材料。

首先需要将衬底进行化学清洗和预处理，以确保其表面干净、平整、无污染。

2. 外延生长：接下来，在衬底表面生长所需的外延层，如GaAs EPI（电介质外延）或InP EPI（电介质外延）。

外延层的质量对VCSEL的性能至关重要。

外延生长过程需要精确控制温度、气氛、pH值等参数，以获得理想的半导体材料特性。

3. 光刻工艺：在外延层生长完成后，需要进行光刻工艺以形成所需的图形结构。

光刻技术有许多种，包括干法刻蚀、湿法刻蚀和光致抗蚀剂光刻等。

根据不同的应用需求，可以选择不同的光刻技术以实现高精度的结构制作。

4. 离子注入：在光刻过程中形成的图形结构中，需要注入所需的掺杂元素以改变半导体材料的导电性能。

常用的掺杂元素有铝（Al）、镓（Ga）和砷（As）等。

离子注入过程需要严格控制注入深度、能量和速度等参数，以确保半导体材料的电学性能稳定。

5. 氧化/减薄：在离子注入完成后，需要进行氧化和减薄处理，以暴露出外延层下方的基底材料。

这一过程有助于提高器件的可靠性和降低寄生电容。

6. 金属淀积：为了实现VCSEL器件中的电学连接，需要在外延层上淀积一层金属电极。

常用的金属材料包括铝（Al）、金（Au）和银（Ag）等。

金属淀积过程需要控制淀积速率、淀积温度和淀积厚度等参数，以获得理想的金属结构和表面形貌。

7. 后端工艺：在VCSEL器件制造的后端工艺中，还需要进行切割、检验、清洗、封装和测试等步骤。

这些步骤有助于确保VCSEL器件的性能可靠、稳定和一致。

通过以上关键步骤，我们可以制造出具有高光功率、高亮度和低功耗等优点的VCSEL器件。

vcsel生产工艺流程VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）是一种垂直腔面发射激光器，具有许多广泛的应用领域，如光通信、光电子设备和生物医学领域等。

为了生产高质量的VCSEL器件，需要遵循一系列的生产工艺流程。

以下是VCSEL生产工艺流程的描述：1. 衬底准备：选取适当材料的衬底，并进行表面处理以去除杂质和提高平整度。

这可以通过化学清洗、机械抛光等方法来实现。

2. 衬底生长：在经过准备的衬底上，采用化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）等技术，进行半导体层的生长。

此过程中，通过控制材料的化学成分、结构等参数，形成具有特定性能的多层结构，包括激活层。

3. 层间电极和光阻的定义：使用光刻技术，将金属电极和光刻胶（光阻）图案定义在相应的层之间。

电极用于引入电流，而光阻用于保护和定义激光发射区域。

4. 注蓝工艺：通过将注入区域暴露在精确的氯化铁（FeCl3）溶液中，去除光阻以及未覆盖区域的材料，形成激光发射区域。

这一步骤可以实现激光发射的选择性。

5. 金属蒸发和电镀工艺：在光阻已被去除且激光发射区域已定义后，使用金属蒸发或电镀技术在电极上沉积一层金属，以提供电流传输和反射。

6. 封装和测试：将该芯片连接到电路板或其他封装器件上，并进行测试和性能验证。

测试包括功率输出、波长、波束质量等参数的测量。

总结：VCSEL生产工艺流程包括衬底准备、衬底生长、层间电极和光阻的定义、注蓝工艺、金属蒸发和电镀工艺、封装和测试等步骤。

通过这一系列工艺步骤，可以生产出高质量、高性能的VCSEL器件，满足不同领域的需求。

激光器分类

法布里-珀罗型激光器（FP） 分布反馈激光器（DFB）

垂直腔面发射激光器（VCSEL）
FP激光器
FP激光器的谐振腔由镀膜的自然解理面形成的 ，只能实 现静态单模工作。在高速调制或温度和电流变化时，会出现 模式跳跃和谱线展宽。
DFB激光器

DFB( Distributed Feedback Laser)，即 分布式反馈激光器，其不同之处是内置了 布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面 发射的半导体激光器。 DFB激光器将布拉 格光栅集成到激光器内部的有源层中（也 就是增益介质中），在谐振腔内即形成选 模结构，可以实现完全单模工作。

尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽 美。例如，为了制作光栅， DFB激光器需 要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光 栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃 掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全， 导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激 光器的内量子效率降低。此外， DFB激光 器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增 益较高。
目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓 (GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。 DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度）， 它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑 制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
DFB-LD芯片制造

DFB激光器 DFB激光器在高速调制时也能保持单模 特性，这是F-P激光器无法比拟的。尽管 DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有 一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展 宽要改善一个数量级左右。Leabharlann FP-LD与DFB-LD的比较

VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）和LED（Light-Emitting Diode）都是常见的光电器件，用于发射光信号。

它们的发光原理有所不同。

1. VCSEL（垂直腔面发射激光器）：VCSEL 是一种半导体激光器，采用垂直结构设计。

它由多个半导体材料层构成，其中心腔层被夹在两个反射镜之间。

当电流通过 VCSEL 时，电子和空穴被注入到中心腔层，产生载流子复合并释放能量。

这个过程称为电子与空穴的复合再辐射。

由于腔层被设计为垂直结构，光束可以垂直地从 VCSEL 的表面发射出来。

VCSEL 通常以单频或多模式发射光线。

2. LED（发光二极管）：LED 是一种半导体器件，当电流通过正向偏置的二极管时，LED 发射可见光。

LED的发光原理基于电子与空穴的复合效应。

当电流流过正向偏置的 PN 结时，电子从 N区域跃迁到P 区域，与空穴发生复合，释放出能量。

这个能量以光子的形式发射出来，产生可见光。

总结起来，VCSEL 是一种激光器，利用电子与空穴的复合再辐射产生的光放大和共振效应，从垂直方向发射出激光光束。

而 LED 是一种发光二极管，利用电子与空穴的复合释放能量，产生可见光。

两者在光源应用中有所不同，VCSEL 更适用于高速通信、光传感和光雷达等领域，而 LED 常用于照明、指示灯和显示屏等应用。

针对VCSEL和LED的发光原理，我来更加详细地解释一下。

1. VCSELVCSEL是一种垂直腔面发射激光器。

它的结构是由多个不同材料构成的多层结构。

中心腔层被夹在两个反射镜之间。

这些反射镜由多个半波长厚度的高折射率的材料层（通常是两种互相接壤的半导体材料）组成，使得光线可以在这些层之间反弹多次，形成共振腔。

当电流通过VCSEL时，电子和空穴被注入到中心腔层，产生载流子复合并释放能量。

这个过程称为电子与空穴的复合再辐射。

由于腔层被设计为垂直结构，光束可以垂直地从VCSEL的表面发射出来。

计算机仿真光注入VCSEL的偏振开关及双稳特性垂直腔面发射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一种垂直表面发光的新型半导体激光器。

VCSEL有源区对称的结构和增益介质弱的各向异性使其输出的偏振特性非常复杂，外部的光扰动或电扰动会导致VCSEL 出现偏振转换（Polarization Switching，PS）和偏振双稳（Polarization Bistability，PB）这两种特殊的偏振动力学状态。

基于光注入VCSEL的PS和PB现象是當前研究的热点，值得深入探讨和研究。

本文基于拓展的自旋反转模型，对正交光注入VCSEL的PS和PB特性进行了数值仿真和相关理论分析。

一、理论模型这里假定注入光的偏振方向与VCSEL激射光的偏振方向相垂直，即为正交光注入。

通过扩展自旋反转模型，描述正交光注入VCSEL的速率方程组可描述为：在上述方程组中，下标x和y分别代表x LP模式和y LP模式，E表示光场的慢变复振幅，N表示VCSEL增益介质内导带和价带之间总的反转载流子密度，n表示自旋向上和自旋向下能级对应的载流子密度之差，k表示光场衰减率，α为线宽增强因子。

γa和γp分别表示二向色性系数和有源介质双折射系数，γe为总的载流子衰减速率，γs为自旋反转速率，μ为VCSEL上的归一化偏置电流。

ξ+和ξ-是两个相互独立的高斯白噪声源（方差为1，平均值为0），βsp为噪声源自发辐射速率。

Einj为注入光场振幅，Pinj = |Einj|2为注入光强度，ηinj为注入系数，νinj为注入光频率，ν0（= （νx + νy）/2，νx和νy分别为x和y LP模式的频率。

考虑到外部光仅注入到x LP模式上，为了叙述方便，我们用?νx = νinj-νx 来表示注入光与VCSEL之间的频率失谐。

二、MATLAB仿真结果分析通常利用四阶龙格-库塔（Runge-Kutta）算法对速率方程组（1）～（4）进行数值求解，这里数值模拟所用的参数取值为：γe=1ns-1，γa=1ns-1，γp=192.1ns-1，α=3.0，k=300 ns-1，γs=1000ns-1，kinj=300 ns-1，ω=1.2161×1015rad/s（中心频率所对应的波长为1550 nm），βsp=10-6，u，Δνx，Pinj为自由选择参数。

例如为了制作光栅dfbdfb激光器需激光器需要复杂的二次外延生长工艺在制造出光要复杂的二次外延生长工艺在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔可能吃栅沟槽之后由于二次外延的回熔可能吃掉已形成的光栅致使光栅变得残缺不全掉已形成的光栅致使光栅变得残缺不全导致谐振腔内的散射损耗增加从而使激导致谐振腔内的散射损耗增加从而使激光器的内量子效率降低

DFB激光器 DFB激光器在高速调制时也能保持单模 特性，这是F-P激光器无法比拟的。尽管 DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有 一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展 宽要改善一个数量级左右。

FP-LD与DFB-LD的比较
光谱特性 . 激光器光谱特性包括峰值(或中心)波长、光谱宽度、边模抑制比；
目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓 (GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。 DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度）， 它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑 制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
DFB-LD芯片制造
边模抑制比 Side Mode Suppression Ratio
在最坏反射条件时、全调制条件下，激光器光谱中主纵模光 功率峰值强度（Pm0）与最大边模光功率峰值强度(P m1)之比的 对数，即： SMSR =10 lg (Pm0/P m1) SMSR示意图
DFB激光器的发展
DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽， 在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调 范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。
激光器分类

法布里-珀罗型激光器（FP） 分布反馈激光器（DFB）