VCSEL技术和产业化进展

作者：陆敏，《 》杂志主编

近日通快光电器件，全球工业激光热处理VCSEL解决方案领导者，在近日举行的Photonics West上展示了最新的TruHeat VCSEL产品，它可应用于区域性加热和电子交通领域。基于VCSEL的激光加热系统为工业加工提供直接、均匀和区域性的可控制热处理。TruHeat VCSEL激光加热系统基于最新一代多结VCSEL阵列，加热系统通过高效驱动电子设备进行热设计优化。980 nm的波长更加容易被所有电池电极材料吸收，来支持更高的干燥效率。从2018年苹果公司iPhone X智能手机采用VCSEL作为其人脸识别的功能器件开始，VCSEL应用就逐步拓展进入智能手机、3D感测、人脸辨识、车载雷达（LiDAR）等领域，VCSEL市场规模就快速增长。根据TrendForce集邦咨询最新研报，受到消费市场疲弱影响，2023年消费电子3D感测VCSEL市场产值虽然只有8.5亿美元，但受惠于苹果公司计划2024年导入MetaLens技术及采用结构光、直接式飞时测距、主动式双目视觉，加上Sony、Meta、Microsoft、Google等品牌厂商持续推出AR/VR产品，将稳定带动3D感测市场需求。预估至2028年消费电子3D感测VCSEL市场将达14亿美元。

1977年，日本K. Iga教授首次提出面发射半导体激光器概念，1979年实现了InGaAsP/InP体系电激射，标志着VCSEL的诞生。1991年到1994年，基于GaAs不同波长的VCSEL陆续研制成功，波长为780 nm、850 nm、980 nm的VCSEL受到了广泛关注，并成功产业化。2008年实现了连续工作的462 nm蓝光GaN基VCSEL，但是工作温度在77K，同一年中日本Nichia公司制备了可以在室温下连续工作的414 nm VCSEL，2023年厦门大学实现了室温绿光524 nm VCSEL电激射。VCSEL的谐振腔为圆对称结构，由量子阱有源区、上下分布布拉格反射镜和衬底三部分组成。VCSEL与边发射激光器相比，VCSEL增益区体积比较小，上下DBR具有很高的反射率，所以阈值电流很低；基于VCSEL的结构特点，是从一个圆形中心对称的台面出射激光，所以光斑是圆对称的，并且激光的发散角较小；VCSEL解理前可以在片测试，故制备成本相对低廉，容易实现大规模生产；由于VCSEL垂直于衬底表面出光更容易实现高密度集成；VCSEL采用高微分增益量子阱，可以实现高调制频率，可以加快互联网数据传输和空间光通信的数据传输速度。VCSEL与发光二极管相比，VCSEL的输出功率和功率转换效率较高；具有高的调制带宽；VCSEL具有良好的光束质量，直接输出的圆形光斑不用经过后期光束整形和聚焦。总之VCSEL具有可在片测试、单纵模激射、光场圆对称分布、阈值低、调制速率高、光纤耦合效率高、功耗低、寿命长以及易二维阵列集成等优点。不过较大的激光线宽、偏振随机切换是其两大缺点。基于VCSEL的上述优点，VCSEL可被广泛应用于光互连、光通信、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟等领域。

VCSEL的外延片通常使用MBE或者MOCVD生长。现今常用的衬底材料为GaAs、InP和GaN，出射波长为700 nm-1000 nm的VCSEL主要采用GaAs为衬底，长波长1310 nm和1550 nm VCSEL通常采用InP为衬底，GaAs和InP材料体系目前应用范围较广，发射波长在850 nm的VCSEL主要应用于多模短距离光纤通信，包括光纤到户、超级计算机中心、芯片间互联等。而发射波长在1310 nm和1550 nm的单模VCSEL，因与单模光纤能高效的耦合，具有较小的传输损耗和色散损耗，被广泛应用于中长距离通信。目前发射波长为850 nm和940 nm的大规模集成VCSEL高输出功率阵列已被应用于高峰值功率短脉冲激光雷达技术中。可见光和紫外VCSEL器件一般采用GaN衬底，受VCSEL的模式调控与器件研制工艺难度限制，尚未产业化。

因VCSEL具有较短的腔长，其线宽通常在MHz量级，较大的激光线宽限制了其在相干光通信领域的应用。一般而言，当光源的线宽在MHz量级时，基于该光源的雷达系统的最大探测范围为百米量级。所以为了使激光雷达及数据通信的性能更优，就需要提高作为光源的VCSEL的性能，如输出功率、线宽以及偏振态等参数。在数据通信上，采用偏振可控的窄线宽VCSEL或窄线宽多波长VCSEL阵列作为光源可降低由光纤色散引起的传输损耗以及光源器件的振幅噪声，提高通信质量；在高速图像采集中，采用窄线宽多波长VCSEL阵列作为光源可以加快干涉共聚焦显微镜的成像采集速度，在精密测量领域，使用偏振可控的窄线宽VCSEL或多波长VCSEL阵列作为光源，可以提高测量系统的探测精度和探测范围。随着VCSEL的大口径以及二维阵列的开发，VCSEL的输出功率有了显著的提高。但由于载流子聚集效应与空间烧孔效应，会使得激光功率密度分布不均匀，对器件出光质量造成极大影响。因此，探寻合适的方法实现VCSEL的波谱拓宽、高功率、线宽窄化、偏振控制和更高的光束质量，成为了技术和产业领域急需解决的问题。