ABSTRACT

This 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.

Keywords:VCSEL, 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。

关键词 :VCSEL，大功率，应用，阵列

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1. 引言

自1977年，日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出VCSEL的概念开始，VCSEL各个方面的研究到现在均获得了长足的进展。VCSEL的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，有阈值电流低、稳定单波长工作、易高频调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、动态单模工作、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点。典型的VCSEL为顶发射结构。结构示意图如下图1所示。

VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，为互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL不仅在手机、消费性电子等领域发挥越来越重要的作用，VCSEL还可以用来进行人脸识别、3D感测、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。当然，VCSEL将来也可以大量应用在物联网、5G通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等，所以VCSEL未来应用和市场热度应该会受到更多的重视。

尤其是近期苹果公司宣布iphone8即将采用VCSEL半导体激光器技术，VCSEL更是引起广泛关注。业界认为VCSEL产品进入苹果产业链不仅是产业公司业务的重大突破，更是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破，VCSEL激光器将进入iphone产业链，光器件也将从工业领域走向消费领域 [1] 。

为了满足市场对各种VCSEL产品的需求，对其性能进行优化得到各方研究人员的重视。世界上各大公司也是重点把握住VCSEL市场，及时地制备出各种满足市场需求的产品，抢占先机。本文将从商用和实验室研究两大方面对VCSEL进行概括描述。

2. 商用VCSEL

在当下这个VCSEL产品被广泛需求的时代，世界上各家致力于VCSEL研究与制造的公司均推出了各有千秋的VCSEL产品。本节重点对Princeton optronics，Vixar，Ⅱ-Ⅵ，Finisar，Philips Photonics、华芯半导体科技有限公司这几家公司的最新产品进行介绍。

Princeton Optronics [2] ：该公司成立于1993年，一直致力于高效率，低功耗VCSEL器件及模块尖端技术的研发，是一家主要从事VCSEL以及基于VCSEL的光学组件和模块的私营公司。

在深度摄像机应用方面，公司开发了830 nm、850 nm和945 nm三种波长的VCSEL器件。其中波长为830 nm的VCSEL阵列连续输出功率为20mW，具有光谱宽度为2.5 nm和成像分辨率高的优点。波

图1. 顶发射VCSEL结构示意图

长为850 nm的VCSEL阵列连续输出功率为1 W，具有光谱宽度为0.8 nm、波长输出稳定和可靠性高的优点。波长为945 nm的VCSEL阵列连续输出功率为2 W，具有光谱宽度小于1 nm、波长输出稳定和可靠性高的优点。这三款器件在3D成像、照明、导航、安全和监控摄像机以及VR方面有着很好的应用。此外，公司还开发了波长为860 nm和940 nm的VCSEL阵列，输出功率分别为2 W和6 W，主要应用于3D成像。

在雷达应用领域，公司开发了波长为808 nm的1 × 8 VCSEL阵列，其准连续输出功率(在200ns脉冲宽度、1%占空比的操作条件下)大于300 mW，具有光谱宽度小于1 nm、波长输出稳定、可靠性高和能够在高达80℃的温度下工作的优点，该产品主要应用在激光雷达、激光制导和无人驾驶汽车方面。

在红外照明应用领域，公司开发了波长为808 nm、850 nm、945 nm、975 nm以及1064 nm的VCSEL器件。其中808 nm的VCSEL阵列最高准输出功率达800 W，光谱宽度为3 nm。波长为850 nm的VCSEL阵列最高连续输出功率达4 W，具有光谱宽度小于2 nm、可靠性高以及能在高温(80℃)下工作的优点。波长为945 nm的VCSEL阵列最高准连续输出功率达8 W，光谱宽度小于1 nm。波长为975 nm的VCSEL阵列最高连续输出功率达100 W，具有光谱宽度小于1 nm、可靠性高、低热阻(~0.16˚C/W)以及能在高温(80℃)下工作的优点。波长为1064 nm的VCSEL阵列最高连续输出功率达40 W，具有光谱宽度小于2 nm、可靠性高以及能在高温(80℃)下工作的优点。这些器件均可应用于夜间和雾天的辅助驾驶、安全和监控摄像机，有些还可应用于医疗以及固态激光泵等方面。

由于VCSEL在红外照明方面的应用广泛，该公司还针对具体应用开发了多种照明器，比如波长为808 nm和976 nm的二维VCSEL照明器件。针对短程监控应用，开发了波长为808 nm和976 nm的紧凑型瓦级照明器模块,全发散角约为20˚(1/e²值全宽)；针对诸如爆炸或尘云的不利条件进行检测的军事应用，开发了波长为976 nm的千瓦级照明器，该照明器使用9个高功率VCSEL阵列制作，其中每个阵列的连续输出功率都大于1200 W；针对大于200 m长距离范围的照明，开发了波长为808 nm的100瓦级照明器。

在医疗应用领域，开发了波长为650 nm的高功率(15 W)红色激光器件和阵列，这些阵列具有功率转换效率大于20%、光谱宽度约为1 nm和具有18˚发散角(全角)的圆形光束的特点，可以用于医疗和照明。除此之外还开发了两款波长为688 nm的VCSEL器件，一款为连续输出功率为1 mW的单器件VCSEL，另一款为连续输出功率为2 W的VCSEL阵列。

在2015年该公司应用新技术开发了780 nm，795 nm和850 nm三种波长的单频VCSEL [3] ，其输出功率大于100 mW，线宽小于100 kHz，这类VCSEL器件应用于原子钟。

Vixar [4] ：该公司成立于2005年，在VCSEL技术研发与制造方面战绩颇丰，为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650 nm至1000 nm之间的VCSEL。

在激光测量应用领域，开发了波长为670~690 nm和830~860 nm的单模VCSEL，连续输出功率分别为0.7 mW和1 mW，线宽分别为小于100 MHz和约为50 MHz。

在数据通信应用领域，开发了两款VCSEL，一款是波长为670~690 nm的多模VCSEL，连续输出功率为3.5 mW，调制速度高达10 Gb/s，光谱宽度为1 nm。另一款是波长为765~780 nm的VCSEL，连续输出功率为3 mW，调制速度高达10 Gb/s，光谱宽度为1 nm。

在低光激光治疗应用领域，开发了波长为670~690 nm的多模VCSEL以及高功率VCSEL阵列，连续输出功率分别为6 mW和300 mW，光谱宽度为1 nm。

在原子钟应用领域，开发了波长为790~800 nm和885~905 nm的单模VCSEL，连续功率均为0.1 mW，线宽分别为小于50 MHz和约为50 MHz。

在手势识别传感器、安全红外照明和3D扫描等应用领域，开发了波长为830~860 nm的多模VCSEL阵列，公布的VCSEL阵列输出功率有10 mW, 750 mW, 2 W和10 W，线宽约为1 nm。

Ⅱ-Ⅵ公司 [5] ：II-VI激光企业有限公司是一家全球性的运营和创新公司，2016年初收购了Anadigics公司，主要进行VCSEL的研发与生产，为业界提供领先的VCSEL激光解决方案。

在数据通信和光互连应用领域，开发了波长为850 nm的高速多模VCSEL，光输出功率为2.5 mW，数据传输速率高达10Gb/s，满足了高速数据通信的严格要求。并且此类VCSEL器件能够在多横向模式或单纵向模式下工作，具有低发散角的圆形对称光束，使其能够很有效地耦合到50/125 mm和62.5/125 mm多模光纤中。除了单器件VCSEL，还有两款波长为850 nm的高速多模VCSEL阵列，一款VCSEL阵列的光输出功率为2.2 mW，数据传输速率为14 Gb/s。另一款VCSEL阵列的光输出功率为2.5 mW，数据传输速率为20 Gb/s。

在感应应用领域，开发了波长为850 nm的低功率单模VCSEL器件，输出功率为1 mW，具有稳定的偏振和对称的圆形高斯光束等特点。除此之外，还有两款波长为850 nm的高功率VCSEL。一款是单器件VCSEL，输出功率达到10 mW，具有功耗低、可靠性高和圆形光束的特点。另一款是可扩展的二维VCSEL阵列，在50℃温度下输出功率最高达到900 mW，具有功率转换效率达到35%和可靠性高的优点，主要应用于手势识别。

还有波长为795 nm的单模VCSEL器件，最大输出功率为1 mW，线宽小于30 MHz，可应用于原子钟光学泵浦。

Finisar [6] ：该公司成立于1987年，近三十年来，他们提供突破性的光学技术和领先的产品，为电讯设备及服务商、光学显示、安全系统、医疗器械、环保设备、航空及防御体系提供光学组件、模块及子系统。

在数据通信领域，开发了波长为850 nm的VCSEL，传输距离为550 m，数据传输速率达10 Gb/s，有小于0.6 W的低功率损耗，能够应用在高速以太网、光纤通道以及高速数据连接等方面。

在感应应用领域，开发了波长为850 nm的VCSEL，在低电流(7~15 mA)驱动下能够提供高的输出功率(1.5 mW)，频率大于1 GHz。

在手势识别和3D相机应用领域，开发了波长为860 nm的二维VCSEL阵列，在室温下能够达到大于500 mW的连续输出功率，在窄脉冲(小于10 ns)和低占空比注入(小于1%)条件下，可以达到10 W的峰值功率。此阵列在脉冲工作条件下能够发射高斯形光束，并且上升和下降时间小于1 ns。

Philips Photonics [7] ：该公司成立于1891年，是应用于数据通信、消费和工业的VCSEL技术、设计和制造的全球领先制造商。公司拥有非常全面的产品组合，从用于数据通信的高速VCSEL到用于安全、监控和夜视应用的红外照明模块，从用于感测应用的单模VCSEL到用于精确测量速度和距离的智能激光多普勒传感器。还有为工业加热和光泵浦应用提供红外辐射模块。

在数据通信应用领域，开发了高速VCSEL，其中波长为850 nm的VCSEL器件有两款产品，一款输出功率为1.5 mW，速度可高达14 Gb/s，调制带宽为3 DB。另一款输出功率为2 mW，速度可达到5 Gb/s，调制带宽为3 DB。除此之外，公司还提供了很多数据通信VCSEL阵列，根据具体要求VCSEL可以具有单模或多模操作，最高达到24 mW的光输出功率。

在工业热处理的很多应用领域，公司提供了很好的解决方案，将数十瓦到数十千瓦的红外输出功率聚集到特定的目标区域，能量强度在传统的端面发射激光器和LED之间。该系统是基于高功率VCSEL阵列的模块组合，模块简单并且坚固，能够很容易地以紧凑方式集成到产品上，公司能够根据客户的特定需求给出量身定制的解决方案。比如应用红外功率系统制作了准连续输出功率为500 W的倒装发光泵浦模块和连续输出功率为100 W的正装发光泵浦模块。

在红外照明应用领域，开发的VCSEL器件能够达到6 W的光功率输出，具有光谱宽度为2 nm、可靠性高以及功率转换效率高等特点，主要波长有808 nm、850 nm、940 nm和980 nm。该技术可以应用于监控、车牌识别和3D相机等。

在感应应用领域，开发了基于飞利浦激光多普勒技术的双眼激光传感器产品系列。这些双眼激光传感器可以被应用于消费者和专业产品的输入设备，例如PC外围设备，游戏应用和轨迹球设备。该公司开发的双眼激光传感器是第一个也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的3D动态感应导航传感器，并且符合1级人眼安全要求。

国内方面江苏华芯半导体科技有限公司 [8] 于2017年3月2日宣布，其自主开发的30 G VCSEL芯片已通过客户测试，并实现规模量产。该VCSEL芯片完全采用自主创新的专利技术，特别是独有的纳米层精确控制与补偿外延技术和芯片BCB平整制程，使得该芯片具备高频、高温、高湿以及复杂电磁环境工作的能力，可大大降低数据中心的耗电量。此款850 nm中心波长的VCSEL芯片的主要参数为：功率大于3.5 mW@6 mA，RMS谱宽小于0.4 nm，阈值电流0.8~1.2 mA，斜率效率0.5~0.7 W/A。

对于商用VCSEL产品可以将其大体划分为三个阶段，第一阶段为在VCSEL发现之初，由于它的独特优势比如圆形对称光斑、阈值电流低、无腔面阈值损伤等，迅速引起了人们的广泛关注与研究热潮，也成功地在很多领域取代了边发射激光器以及LED的地位；第二阶段为发现了VCSEL易于二维集成的特性，由此使得VCSEL器件的输出功率得到了前所未有的提高，解决了例如远距离照明、医疗应用等很多领域的难题；第三个阶段为发现了VCSEL单器件的可调制性，使其迅速应用在了传感器等领域。希望在未来可以发现更多VCSEL到目前为止还未开发的新性能，使其更好地服务于我们的生活。

3. 研究领域VCSEL

自VCSEL概念被提出以来，其各方面的研究受到了各个研究单位的垂青，尤其是如何优化其结构性能是一大研究热点，以下从不同优化VCSEL器件结构性能的方式来介绍近几年来VCSEL的研究现状。

VCSEL器件中电流分布的优化。中国科学院长春光学精密机械与物理研究对VCSEL研究成果匪浅，Jianwei Zhang等人 [9] 在2014年报告了波长约为980 nm的高峰值功率VCSE准阵列，在报告中通过优化电流分布来提高大孔径VCSEL的外部量子效率，并且开发了具有62 W峰值功率的单器件VCSEL作为阵列的基本单元。阵列采用4个高功率 VCSEL单管串联连接，尺寸为2.2 mm × 2.2 mm，在30 ns和5 kHz脉冲条件下，当电流为110 A时，输出功率大于210 W。

高世杰等人 [10] 在2016年通过优化波长为980 nm的VCSEL单元器件结构，有效抑制了宽面VCSEL结构中的非均匀电流分布，提高了单元器件的斜率效率，获得了直径为400 mm，峰值输出功率为62 W的VCSEL单元器件。在此基础上，研制出由单元器件组合封装而成的VCSEL“准列阵”子模块以及集成驱动电路的微型化VCSEL脉冲激光光源，该光源在脉冲驱动条件为30 ns，2 kHz，105 A条件下的峰值输出功率达到226 W，光脉冲宽度35 ns，中心波长979.4 nm，斜率效率达到2.15 W/A。

VCSEL器件中DBR的优化。张金胜等人 [11] 在2014年为了实现波长为808 nm VCSEL的高功率输出，对VCSEL的DBR结构材料进行了优化设计，分析了Al_xGa_1−xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响，并最终确定了DBR的高、低折射率材料为Al_0.2Ga_0.8As和Al_0.1Ga_0.9As，P面DBR对数为23对，N面DBR对数为39.5对。采用非闭合环结构制备2 × 2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下，最大峰值功率为30 W，在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下，最大功率为9 W。

Holger Moench等人 [12] 在2014年也对DBR进行了优化设计，使808 nm高功率VCSEL阵列的输出功率和输出效率均得到了提高，研究表明VCSEL性能的优化，可以通过平衡DBR反射镜各层中的电光损耗来实现，因为反射镜必须满足矛盾的要求：一方面，它们应当具有良好的电导来达到低电阻，这就要求提高掺杂来。另一方面，由于反射镜位于激光器的光路中，所以它们应当具有最小的光吸收损耗，这就要求在反射镜中低掺杂。他们在电和光损耗的平衡之后选择DBR对数的最佳数量，N面DBR对数为41对，P面DBR对数为20对，测试结果表明优化后的808 nm正装发射VCSEL最大输出功率增加了1.7倍，最大电光效率已经从30%提高到46%。

VCSEL器件中量子阱增益及腔模位置等材料结构参数的优化。张星等人 [13] 在2016年报道了自行研制的波长为894 nm的VCSEL以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果，他们根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求，对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化，确定增益–腔模失谐量为−15 nm，使器件的基本性能在高温环境下保持稳定，研制的VCSEL器件指标为：20~90℃温度范围内阈值电流保持在0.20~0.23 mA，0.5 mA工作电流下输出功率大于0.1 mW；85.6℃温度环境下激光波长894.6 nm，偏振选择比59.8:1；采用所研制的VCSEL与铯原子作用，获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线。

VCSEL器件的新型结构。Mohammad Yazdanypoor等人 [14] 在2014年提出了一种具有多氧化物层结构的新型VCSEL，这种新型结构的VCSEL设计了4个氧化层并且氧化层的孔径大小和厚度均不相同，具有12 mW单模光输出功率和0.7 mA阈值电流，表明了该种结构可以实现更高的单模光输出功率。

X.Yang等人 [15] [16] 在2015年报道了小尺寸单模无氧化层的VCSEL，该结构实现高性能的关键是控制光刻和消除氧化层能够减小热阻、电阻以及内部应力，尤其是比常规VCSEL更加容易控制发光孔经的大小，其在单模输出时具有高的功率转换效率，测试结果表明，当发光孔径为2 um时，能产生8 mW的单横模功率, 功率转换效率达到46%，斜率效率大于73%，阈值电流低至300 mA。当发光孔径为1 mm时，能产生大于5 mW的单模功率，功率转换效率达到37%，斜率效率大于79%，同时这种器件还具有低结温的优势。此类VCSEL器件可用于高速光互连和高功率阵列以及需要单模操作的传感器等一系列应用。

长春理工大学的冯源等人 [17] 在2014年设计并制备了一种波长为980 nm新型内腔接触式结构VCSEL，这种新型结构的设计是从降低等效电阻方面进行考虑，把P面电极设计成内腔接触式结构，在出光孔径为16 mm时，同时制备传统结构和新型结构两种器件并对其进行测试，传统结构VCSEL的阈值电流为11.5 mA，当注入电流为34 mA时，最大输出功率达到7.3 mW；新结构器件的阈值电流为9 mA，当注入电流为35 mA时，最大输出功率达到10.2 mW；新结构的阈值电流降低了21.7%，最大输出功率提高了28%。结果表明，采用这种新型内腔接触式结构能够降低体电阻，提高输出功率，进而可改善VCSEL的光电性能。

VCSEL器件其它方式的性能优化。Kai-Lun Chi等人 [18] 在2014年对波长为850 nm的单模VCSEL阵列进行了研究,他们通过使用具有适当阵列间距的Zn扩散孔，已经同时实现了具有高连续功率140 mW和窄发散角5˚的圆形对称图案。

Yuta Aoki等人 [19] 在2014年报道了质子注入型倒装高功率VCSEL阵列，该阵列集成了635个VCSEL单管，每个单管VCSEL在持续工作下的输出功率达到了380 mW，这些VCSEL单管由质子注入限定并在5 mm × 5 mm正方形中以175 mm间距的紧密排列，在准连续波的工作模式下该阵列实现了超过200 W的输出功率，这个结果说明质子注入在大功率VCSEL阵列制备上有很高的应用前景。

蔡丽娥等人 [20] 在2016年利用金属有机物气相沉积技术(MOCVD)在(0001)蓝宝石衬底上生长了GaN基VCSEL的多量子阱腔层结构，X射线衍射测量显示该多量子阱具有良好周期结构和平整界面，运用键合及激光剥离技术将该外延片制作成VCSEL，顶部和底部反射镜为极高反射率的介质膜DBR。在室温、紫外脉冲激光的泵浦条件下，观察到了VCSEL明显的激射现象，峰值波长位于447.7 nm，半高宽为0.11 nm，自发辐射因子约为6.0 × 10⁻²，阈值能量密度约为8.8 mJ/cm²。

Hai-Han Lu等人 [21] 在2016年提出了一种基于56 Gb/s LiFi (Light Fidelity可见光无线通信)传输技术，该技术使用VCSEL发射源，能够在20米的自由空间链路上实现低误码率的、清晰的3维视图，这种创新性的技术在未来无线基础设施中将会发挥更大更重要的作用，进而有效的提高传输速率以及自由空间的传输距离。

张岩等人 [22] 在2017年发表的文章中表明，他们设计并制备了波长为795 nm的单模VCSEL，根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果，采用MOCVD技术生长了外延结构，制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试。当有源区直径从6 um减小到3 um时，VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB，阈值电流由0.77 mA减小到0.35 mA。有源区直径为6、5、4和3 um的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37、0.46、0.58和0.44 mW，有源区直径为4 um的VCSEL芯片的远场为圆形光束，发散角为15˚，85℃时3.5 um有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 mW，激射波长为795.3 nm，室温3 dB带宽大于8 GHz，满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求。

4. 结论

随着市场对VCSEL的需要日益多样化，国内外各大公司以及研究机构均是顺应潮流对其进行深入研究，优化VCSEL性能以及提高输出功率。相信在不久的未来，VCSEL将会有更好的发展，为我们的生活提供更多的便利。

文章引用

王阳,崔碧峰,房天啸. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展
Research Progress of VCSEL[J]. 光电子, 2017, 07(02): 50-57. http://dx.doi.org/10.12677/OE.2017.72008

参考文献 (References)