垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用.
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术——推动激光行业发展的新引擎当今，激光技术已经渗透到各行各业，成为科技领域的重要支撑。
而在不同的激光技术中，光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（简称OP-VECSEL）作为一种创新的技术手段，备受关注。
它以其特有的优势，正推动着激光行业的发展，成为新一代的激光技术引擎。
1. OP-VECSEL技术的原理OP-VECSEL技术是一种基于半导体材料的激光技术，其核心原理是通过外部光泵浦的激发，实现半导体材料内部载流子的再组合，从而产生激光辐射。
相较于传统的激光技术，其在结构上更加简单，光路更加清晰，能够实现高效的激光发射。
2. OP-VECSEL技术的优势在实际应用中，OP-VECSEL技术具有明显的优势。
其激光输出功率可实现很高的水平，能够满足多种应用领域的需求；其单色性和光束质量优秀，能够实现高精度的激光加工和光通信传输；其结构简单、制造成本低，有望在产业化应用中取得更广泛的应用。
3. OP-VECSEL技术在激光领域的应用在激光领域，OP-VECSEL技术已经被广泛应用。
在激光医疗设备中，其高功率的激光输出能够实现更为精准的治疗效果；在激光显示领域，其高质量的光束能够实现更加清晰、高对比度的显示效果；在激光雷达和光通信中，其单色性和光束质量则能够实现更加稳定的信号传输。
4. 个人观点与展望作为一种新型的激光技术手段，OP-VECSEL技术的发展前景十分广阔。
随着光通信、激光雷达、激光制造等领域的不断拓展，对激光技术提出了更高的要求，而OP-VECSEL技术以其独特的优势，有望在这些领域中得到更加广泛的应用。
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术作为一种新型的激光技术手段，以其独特的优势，正成为推动激光行业发展的新引擎。
期待在未来的发展中，能够看到更多激光技术带来的创新应用和行业变革。
激光技术是现代科技领域的重要支撑，而光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（OP-VECSEL）作为一种创新的激光技术手段，正在成为推动激光行业发展的新引擎。
量子点垂直腔半导体激光器
量子点垂直腔半导体激光器量子点垂直腔半导体激光器是一种新型的半导体激光器，它在能源转换效率、发光波段选择性和量子效应上具有独特的优势。
它正逐渐成为光通信、生物医学、材料科学等领域的热门研究课题。
本文将对量子点垂直腔半导体激光器的基本原理、应用前景和研究方向进行详细介绍。
量子点是一种微小的结构，其尺寸小于电子能级输运的特征长度。
量子点垂直腔半导体激光器是在垂直方向上发光的半导体激光器，其结构主要由四个部分组成：上下半导体镜片、激光腔和量子点活性层。
其中，上下半导体镜片具有高反射率，形成光腔；激光腔是光子放大的地方；量子点活性层则是光子发射的地方。
量子点垂直腔半导体激光器的优势首先表现在能源转换效率上。
由于量子点的特殊结构，它们能够充分利用能带结构的量子效应，提高能源转换效率。
与传统的半导体材料相比，量子点垂直腔半导体激光器的光电转换效率更高，更加节能环保。
其次，量子点垂直腔半导体激光器具有发光波段选择性。
通过调制量子点的尺寸和组成材料，可以实现对激光发射波长的控制。
这一特性使得量子点垂直腔半导体激光器在光通信领域具有广泛的应用前景。
通过合适的选择和设计，可以实现波长分复用和波长转换等关键功能，提高光通信系统的传输能力和可靠性。
此外，量子点垂直腔半导体激光器还具有其他重要的应用。
在生物医学领域，量子点垂直腔半导体激光器可用于细胞成像和荧光探针，其高光电转换效率和发光波长选择性可以提高成像质量和灵敏度。
在材料科学领域，量子点垂直腔半导体激光器可用于材料表面处理和纳米结构制备，具有极高的精度和控制能力。
未来，量子点垂直腔半导体激光器的研究方向主要集中在两个方面。
一是进一步提高发光效率和稳定性，减少非辐射损耗和温度效应；二是实现可重构、可调控的激光发射波长和光强，以满足不同应用需求。
同时，量子点垂直腔半导体激光器的制备工艺和封装技术也需要不断改进和创新，以提高工艺可行性和产品可用性。
综上所述，量子点垂直腔半导体激光器具有能源转换效率高、发光波段选择性好和量子效应显著等优势。
垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用
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。
长波长垂直腔面发射激光器器件工艺与光电特性研究的开题报告
长波长垂直腔面发射激光器器件工艺与光电特性研究的开题报告一、研究背景与意义随着现代通讯技术的不断发展，人们对于高速、高稳定性及高效率的光纤通讯器件的需求也越来越显著。
在众多光电器件中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）因具有结构简单、能耗低、易制备等显著优点，成为光纤通讯领域最受欢迎的激光器件之一。
然而，大多数VCSEL器件都是基于短波长（如850nm）半导体材料制备的。
而这些短波长器件有着色散强、穿透深度浅、反射损失大等不足。
因此，长波长VCSEL器件的研究受到越来越多的关注。
为了实现高性能的长波长VCSEL器件，需要探索新的器件工艺，并且深入了解长波长VCSEL器件的光电特性。
因此，本文拟就长波长VCSEL器件器件工艺与光电特性开展研究，以期为光纤通讯领域提供更高性能的VCSEL器件。
二、研究内容1. 设计长波长VCSEL器件的结构2. 确定长波长VCSEL器件工艺流程，包括外延、制备、腔区除极等过程3. 利用电子束曝光技术制备长波长VCSEL器件样品4. 利用光学测试手段对长波长VCSEL器件的光电特性进行研究，包括调制响应、光谱特性等方面三、研究方法1. 采用微波外延技术制备长波长VCSEL器件的结构2. 利用电子束曝光技术制备样品3. 借助激光反射技术测量VCSEL特性4. 借助光学性能测试系统，对长波长VCSEL器件进行调制响应、光谱特性等方面的研究四、预期结果通过对长波长VCSEL器件的研究，得出以下预期结果：1. 设计出性能更高、更加稳定的长波长VCSEL器件结构；2. 研究出一套完整的长波长VCSEL器件制备工艺流程；3. 研究出长波长VCSEL器件的调制响应、光谱特性等性能。
五、研究意义1. 推进VCSEL器件研究的发展，并为光纤通讯领域提供更高效、更高性能的VCSEL器件；2. 丰富长波长VCSEL器件的研究方向，有助于进一步完善VCSEL器件的应用；3. 深入了解长波长VCSEL器件的光电特性，有利于提高VCSEL器件的制造工艺及性能优化。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展与应用
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
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。
vscel技术原理与应用
VSCEL技术是一种垂直腔面发射激光器，它是一种半导体激光器，具有独特的工作原理和结构。
VSCEL的原理是基于费曼轻子波束的合成相干超远场发射原理。
当电流通过激活区时，激光由激光腔垂直发射并形成两束相干光束。
由于VSCEL的量子阱和介质层具有光增益，激光会在腔内进行多次反射和放大，从而形成模态。
这些模态在垂直方向上是相干的，在水平方向上呈现高斑度。
VSCEL的结构主要由五个组成部分构成：上反射镜、激活区、下反射镜、透明载流子注入区以及透明载流子反射层。
其中，激活区是VSCEL的工作部分，它由多个半导体量子阱构成。
当电流通过激活区时，电子和空穴会复合并释放出光子，产生激光。
VSCEL具有高功率效率、低功耗、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等优点。
同时，由于其垂直发射结构，VSCEL能够实现单模发射，产生高斑度、方向性好的激光束，射程远，耦合效率高。
此外，VSCEL还具有较窄的谱宽度和较高的频率稳定性，使其在光通信和传感领域具有广泛的应用。
VSCEL技术已经进入市场，部分产品已经进入市场。
它在光通信领域的应用尤其引人注目，因为它的高速调制、高精度、低功耗等特性使其成为长距离、高速率的光纤通信系统的理想选择。
同时，VSCEL在光存储、激光雷达、光学传感等领域也有广阔的应用前景。
总之，VSCEL技术是一种具有重要应用前景的半导体激光器技术。
高功率垂直外腔面发射半导体激光器的光束与波长调控研究
02
垂直外腔面发射半导体激光器的光束质量和波长调控对其应用性能具有重要影 响。
03
目前，针对高功率垂直外腔面发射半导体激光器的光束与波长调控研究较少， 还存在许多挑战亟待解决。
研究意义
通过研究高功率垂直外腔面发射半导体激光器 的光束与波长调控，可以深入了解其光束产生 和波长调制的物理机制。
有助于优化其光束质量，提高其输出功率和应 用性能，为其在军事、工业和科研等领域的应 用提供理论支持和实验依据。
同时，研究成果也可以为其他类型激光器的光 束与波长调控提供借鉴和参考。
02
国内外研究现状及发展趋势
国内研究现状
国内在垂直外腔面发射半导体激光器（VECSEL）的研究方面起 步较晚，但近年来发展迅速。
国内主要的研究机构包括清华大学、中国科学院半导体研究所 、浙江大学等，这些机构在VECSEL的物理机制、器件设计和实 验制备等方面取得了一系列重要的成果。
温度对光束的影响
随着温度的变化，半导体激光器的能带结构和载流子分布也会发生变化，从 而影响光束的质量和方向。
温度控制方法
采用热沉、散热器等冷却装置，控制激光器的温度，以保持光束的稳定性和 可靠性。
05
波长调控技术研究
温度对波长的影响
总结词
温度是影响半导体激光器波长的关键因素之一。随着温度的升高，波长通常会朝 着长波方向移动。
详细描述
温度的变化会导致半导体晶格的改变，从而影响能带结构以及载流子的行为，最 终影响激光器的波长。一般来说，温度每升高1℃，波长会增大约0.1nm。
电流对波长的影响
总结词
电流也是影响半导体激光器波长的因素之一。当电流增加时 ，波长通常会朝着短波方向移动。
详细描述
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器
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。
光泵浦垂直外腔面发射激光器特性及研究进展
中图分类 号： Ｔ Ｎ２ ４ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎｄ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎｔ ｏ ｆ Ｏｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ Ｐｕ ｍｐ ｅ ｄ Ｖｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｘｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ Ｃａ ｖ ｉ ｔ ｙ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｅｍ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｌａ ｓ ｅ ｒ ｓ
现室温连续运转以来， 半导体激光器成为 了光 电子技术领域
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尾端泵浦方式的优点是可以得到圆形的泵浦光斑泵浦光耦合系统容易架设结构非常紧凑对激光器的集成与封装非常有利其缺点是dbr必须特别设计为对泵浦光透明这泵浦光首先要通过dbr才能到达量子阱吸收区这就要求dbr必须设计为对泵浦波长全透对发射激光波长高反射才能使激光器获得高效的泵浦和较低的泵浦阈值
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６ ４・
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vcsel技术产业和市场趋势
vcsel技术产业和市场趋势VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）垂直腔面发射激光器是一种基于半导体材料制备的光源，具有独特的结构和性能优势，广泛应用于通信、光电子、生物医学和传感等领域。
本文将探讨VCSEL技术的产业发展和市场趋势。
一、VCSEL技术的产业发展1. 技术原理和特点VCSEL是一种特殊的半导体激光器，和传统的边缘发射激光器相比，具有以下特点：（1）发射光垂直输出：VCSEL的光输出垂直于芯片表面，使其易于集成到光子集成电路等复杂系统中；（2）低能耗和热阻抗：VCSEL的结构和材料选择使其具有较低的能耗和热阻抗，有利于芯片的高功率和高速度运行；（3）易于制造和测试：VCSEL的制造工艺相对简单，可以实现批量生产和高质量的检测。
2. 技术发展历程VCSEL技术自20世纪80年代初开始研究，经过多年的发展，取得了显著的突破。
关键技术进展包括材料的优化、制备工艺的改进和集成封装技术的创新等。
随着技术的不断成熟，VCSEL在通信、光电子、生物医学和传感等领域得到广泛应用。
3. 产业链分析VCSEL技术的产业链主要包括芯片制造、封装和模组系统集成等环节。
（1）芯片制造：VCSEL芯片的制造涉及到半导体材料选择、外延生长、加工、工艺优化等过程。
当前主导该领域的企业主要有美国的Finisar、瑞士的II-VI、日本的松下等。
（2）封装：VCSEL芯片的封装是将其与其他器件或模块连接在一起的过程，以满足不同应用场景的需求。
能够提供高品质封装的企业有日本的Furukawa Electric、台湾的Lite-On等。
（3）模组系统集成：VCSEL芯片的模组化和系统集成是实现具体应用的关键一步，涉及到光纤、连接器、驱动电路等多方面技术。
在这个领域，美国的Lumentum、Acacia Communications等企业具有较强的实力。
二、VCSEL技术市场趋势1. 通信市场VCSEL技术在光纤通信和无线通信领域的应用日益广泛。
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。
GaAs基垂直腔面发射激光器综述
InP/InGaAsP垂直腔表面发射激光器综述摘要：简要介绍了半导体激光器的基本原理，基于InP/InGaAsP 材料的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的基本原理与结构，分布布拉格反射器（DBR）的材料与各层厚度，以及1.3μm的VCSEL在光纤通信方面的应用。
关键词:半导体激光器垂直腔表面发射激光器InP/InGaAsP引言：1962年，世界上第一台半导体激光器——GaAs激光器实现了低温下的脉冲工作。
1970年实现了室温下连续工作，其后半导体激光器取得了迅速的发展。
目前半导体激光器在光存储、光陀螺、激光打印、激光准直、测距等方面有广泛的应用。
尤其在光纤通信中，它是最重要的光源之一。
垂直腔表面发射激光器的概念是由日本科学家Iga等人于1977年提出，并且于1979年研制出了第一只VCSEL，但只能实现低温下的激射，阈值电流也很高。
该研究小组于1988年实现了0.86μm GaAs/AlGaAs 材料的VCSEL室温下的脉冲激射。
随着外延技术的发展，使得制造出高反射率的半导体布拉格反射器成为可能，这大大加速了VCSEL的研究进程。
1989年贝尔实验室制作出了第一只室温下连续波工作的0.98μm单量子阱VCSEL。
其后VCSEL迅速发展，至1996年，美国的Honeywell公司提供了第一只应用于光纤通信的商用质子注入型VCSEL。
近几年，1.3μm与1.55μm波长的VCSEL是研究的热点，它们在中短距离通信方面有重要的应用。
1 半导体激光器简介半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生激光的光振荡器和光放大器的总称。
它具有体积小，重量轻，寿命长，效率高，可利用调制高频电流的方法实现高频调制，可批量生产，可单片集成化等诸多优点。
半导体激光器发出激光的必要条件有：（1）实现粒子数反转，即将价带的电子激发到导带形成大量的电子——空穴对。
（2）有一个能起光反馈作用的谐振腔。
长波长垂直腔面发射激光器材料与物理研究的开题报告
长波长垂直腔面发射激光器材料与物理研究的开题报告一、研究背景垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSELs）是一种在垂直方向上发射激光的半导体激光器。
相比于传统的激光器，VCSELs具有更高的发射效率、更小的体积和更好的线性度等优点，因此在通信、传感、光存储等领域中得到广泛应用。
然而，VCSELs在红外（IR）和远红外（FIR）波段的应用受到了材料科学和物理学等方面的限制。
长波长VCSELs的研究主要集中在IR和FIR波段，其激光发射波长在1.3-16μm之间。
InP材料系统被认为是理想的长波长VCSELs材料系统，因为它在IR波段具有优异的光学和电学性质。
然而，在FIR波段，InP材料系统受到了诸如自发辐射复合和缺陷密度等方面的制约。
因此，寻找更适合FIR波段的VCSELs材料系统成为了当前的研究重点。
二、研究目的和内容本文的研究目的是寻找适合FIR波段的VCSELs材料系统，理论和实验分析其电学和光学性质，探索长波长VCSELs的特性和应用。
具体研究内容如下：1. 系统性地分析FIR波段VCSELs材料系统的适应性和优劣，评估其应用前景。
2. 研究合适的半导体材料生长技术，实现长波长VCSELs材料以及制备并测试器件的性能。
3. 通过模拟和实验研究长波长VCSELs器件的结构设计和优化。
4. 研究长波长VCSELs的特性和应用，如高功率、高速率和单模等。
三、研究意义和预期效果本文的研究对长波长VCSELs的材料和器件研究提供了新的思路和方法，预期达到以下效果：1. 寻找到适合FIR波段VCSELs材料系统，研究其性质，推动其应用的发展。
2. 给出不同材料系统在长波长VCSELs方面的性能比较，即集成化InGaN和GaSb传统材料系统，提供有助于长波长VCSELs设计的材料参考。
3. 基于长波长VCSELs的器件制备和性能分析，探索其在通讯、传感等领域的应用。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究探究进展新
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。
垂直腔表面发射激光器及阵列发展水平与应用市场
包层
为 ９ ％以上 的 反 射镜 构 成 。 其优 点 是 有 源 层 直 ９
径最 小 为 ２ ｍ， 束 为 圆形 ， 射 角 小， 于实 现 光 发 易
图 ｌ 典 型 的 ＶＣＳ ＥＬ结 构
１ ＶＣ Ｅ Ｓ Ｌ及 阵列
典 型 的 ＶＣ Ｅ Ｓ Ｌ一 般 由超 晶格 镜 面 、 有源 层
和金 属 接 触 组 成 。 典 型 尺 寸 为 直 径 ｌ 厚 ０ ｍ、
为 了获 得 良好 的 ＶＣ Ｅ Ｓ Ｌ特 性 ， 已研 制 了 多
种结构 ， 有小 柱状结 构 、 菇状结构 、 面形 结构 、 蘑 台
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第 ２ ０卷第 ３期 ２０ ０ ２年 ９ 月
垂直腔表面发射激光器及阵列发展水平与应用市场
张 瑞 君
（ 息产 业部 电子 ４ 信 ４研 究所 重 庆
四个半 导体空 气桥支 撑结构 、 掩埋 异质结构 、 质子
轰 击结 构 、 化结构 及 阵列结 构等 。此外 ， 氧 由于衬
底材料 不同 ， 有 Ｇ Ａ 还 ａ ｓ基 、ｎ ＩＰ基 、 ｉ 、 宝石 Ｓ基 蓝 基等基 本结构 的 ＶＣ Ｅ Ｓ Ｌ。
一
６ ｍ。有源 区 由多 量子 阱组 成 ， 型 的 量 子 阱 数 典
与 光纤 的 有效 耦 合 ； 单纵 模 工 作， 态特 性 好 ； 动 阈
值 电流很 低 ， 耗 小， 功 噪声 小 ； 转换 效率高 （ ０ ， １ ％）
2024年垂直腔面发射激光器市场需求分析
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。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)简介及行业发展趋势
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)
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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。
3 VCSEL 的发展水平3 . 1 0 . 8 5 m 及0 . 9 8 m 波段V C S E L0.85 m GaAs/AlGaAs 及0.98 m InGaAs/GaAs 系列的VCSEL 已趋于成熟[1] 当GaAs/AlG aAs 量子阱VCSEL 的腔面积做到2 2 m2 时其阈值电流低达90 A 频率响应40GHz 工作效率达47% 在误码率(BER<10-12 时其传输速率高达到10Gb/s 最近Lucent 公司采用0.85 m VCSEL 与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km 10Gb/s 的传输实验0.85 m VCSEL 目前已实现了商用化Honeywell 公司典型的SV3639 器件性能如下波长850nm 模式单纵模和单横模驱动电压1.8V 驱动电流1 7mA 阈值电流100 A 输出功率0.5 1mW(在1mA 驱动电流下上升/下降时间200ps 斜率效率0.3mW/mA 相对强度噪声-130dB/Hz 在集成面阵方面据最新报道:Honeywell 公司研制的108 34 VCSEL 集成面阵成品率高达 94%3 . 2 1 . 3 m 和1 . 5 5 m V C S E L1.3 m 和1.55 m VCSEL 除具有上述VCSEL 的各种特点外还具有处于光纤的低色散和低衰减窗口的特点它可作为低成本高性能激光光源在光纤通信网络高速数据传输并行光互连等方面具有广泛的应用前景特别是在中长距离高速传输方面具有0.85 m 及0.98 m VC SEL 无法比拟的优点将来的光纤到户和光纤到路边等的实施必将给1.3 m 和1.55 m VCSEL 提供广阔市场 1.3 m VCSEL 是极具潜力的器件Honeywell 的Ashton 相信如果驱动电流低于1mA 速率高于1GHz 的1.3 m VCSEL 的价格具有很大竞争力的话会淘汰0.85 m VCSEL[1] 目前InP 基1.3μm 和1.55μm VCSEL 的研究取得了一定的进展[1,2,5] 但是由于InP 系弱电子限制,导致载流子泄漏此外由于这种材料系统的大的非辐射复合以及电流限制结构及高反图3 VCSEL 结构示意图第1 卷第3 期飞通光电子技术129 射率Bragg 反射镜(DBR制备十分困难等原因[1,3] 使InP 基的InGaAsP VCSEL 研究进展缓慢最近对开拓 1.3 m 带隙新材料的愿望科学家们采用了传统合金材料--镓铟氮砷(GaInNAs 来制作VCSEL GaAs 基的GaInNAs 是一种极有前途的长波长通信用新材料[4,5] GaInNAs /GaAs 有着非常好的电子限制导带差大于300meV 因此特征温度T0 可望有显著的提高(超过150K 当In 原子引入GaAs 形成GaInAs 合金时晶格常数将增大禁带宽度将减小而当N 原子引入 GaAs 形成GaNAs 合金时晶格常数将减小禁带宽度将减小因此调整GaInNAs 中In 与N 的含量可以得到与GaAs 晶格匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料而其波长范围可从1.0 m 覆盖到2.0 m 不言而喻GaInNAs 材料是一种潜在的极有发展前景的VCSEL 材料极有可能取代InP 系材料未来的新器件将用于长波长高速宽带光通信美国Sandia 国家实验室的科学家们用MBE 和MOCVD 技术制作GaInNAs/GaAs VCSEL[4] 并取得突破性进展他们已研制出该材料的端面发射激光器, 并有望于今年年底研制出VCSEL 德国 Würzburg 大学的M Reinhardt 等人[6]报道了第一支GaAs 基1.3μm 单纵模分布反馈激光器有源层为InGaNAs 的双量子阱结构其阈值电流密度低于1kA/cm2 Sandia 国家试验室的Meanw hile 等人声称在GaAs 上生长出了第一支该材料的电泵浦1.3μm VCSEL,其输出功率为60μW 在高达 55C 时仍可CW 工作阈值电流在1.5 10mA 之间一种在GaAs 上生长的GaAsSbN 材料有可能担当制作更长波长VCSEL 的重任法国France Telecom R&D 的Giovanni Ungaro 等人对该材料进行了详细的组分和发光特性的研究实现了1.3μm 电致发光此外一种含铊Tl 的TlInGaAs/InP 材料的带隙跨度为0.75 0.1eV,即波长范围为1.65 12μm Osaka 大学的H. Asahi 等人通过试验证实该种材料具有优良的波长温度稳定性随着Tl 含量的增加波长随温度的变化率下降当Tl 含量为13%时温度变化率为0.03meV/K 即是0. 04nm/K, 而相应的InGaAsP/InP 却为0.1nm/K 因此它在波分复用中有重要的潜在意义然而研究此种材料的最大障碍是它的剧毒性3 . 3 多波长V C S E L 列阵[ 2 ]可调谐VCSEL 阵列在局域网长距离超大容量信息传输方面的应用蕴藏着巨大的潜力它可提供更多的自由度波长使密集波分复用(DWDM成为可能极大地提高系统的容量和传输速率密集波分复用系统的关键器件之一就是多波长激光器阵列采用过生长(overgrowth波长调节技术比其它生长技术更有吸引力过生长技术之一的多步刻蚀法是采用将GaAs 层阳极氧化然后移走氧化层的方法J.H.Shin 和B.S.Yoo 使用该法制作了从0.855 0.862 m 波段的非常窄的等间隔波长的八信道多波长VCSEL 列阵其平均波长间隔为0.94nm 由于采用SiNx 调节层代替GaAs 调节日层的多步刻蚀法产生了上述信道SiN x 的折射率几乎是GaAs 的一半因此对于相同目标的波长间隔其控制厚度的能力几乎是GaAs 的两倍此外SiNx 刻蚀方案可应用到任意波长系统如1.55 m 光谱范围和可见光波长范围这一结果说明以大容量DWDM 应用为目的用过生长波长调谐技术精确分割VCSEL 列阵波长是可行的3 . 4V C S E L列阵用于激光照排激光雷达光通信和泵浦固态及光纤激光器的大功率列阵所需的功率密度和亮度的实用化VCSEL 系统尚未得到证实为了充分挖掘VCSEL 列阵的潜力有效办法是需提高它们的峰值功率密度并将制作成本降至低于端面发射激光器列阵的水平[2] 迄今为止所实现的最高功率密度是M Grabherr 等人制作的由23 个单元组成的列阵脉冲功率为300W/cm2 和美国伯克利加利弗尼亚大学D Francis 等人制作的由1000 个单元组成的列阵CW 输出功率为2W 脉冲输出功率为5W 美国Lawrence Livermove 国立研究所H.L.Chen 等人还是制出了1cm 1cm 单片二维VCSEL 列阵由于采用了微透镜列阵来校准发自整个激光器列阵的光束而使该列阵亮度 130 飞通光电子技术2001 年9 月增长了150 倍采用F2 透镜使整束光束聚焦成直径为400 m 的光斑此外将VCSEL 光束的7 5% 耦合进1mm 直径的光纤芯这些结果表明将大面积VCSEL 列阵焊接在热沉上是可行的即使平行放置的列阵的元件大于1000 只但整个列阵散热不会存在问题美国新墨西哥州大学A.C.Alduino 等人引入了一种新型类平面制作技术将多波长VCSEL 与谐振腔增强型光电探测器(RCEPD单片集成在制作技术中用大量不连续的新月形氧化物面的方法形成不同尺寸范围的电流窗口( 4 m 在保持其二维性的同时还改善了器件尺寸其结果是VCSEL 具有与腐蚀台面器件可比拟的电学和光学特性用该技术制作的高速RCEPD 上升时间约为65ps3 . 5 可见光V C S E L由于对于大容量光存贮的要求日益迫切可见光VCSEL 变得越来越重要了同时红光VCSEL 便于与塑料光纤低损耗耦合美国罗德岛Brown 大学工程部和物理系的Y.K.Song 等人[7]研制了准连续波光泵浦的紫色 VCSEL 它由InGaN 多量子阱有源区和高反射率介质镜对组成直至258K 温度下仍能实现高重复频率(76MHz脉冲光泵条件下激射平均泵浦功率约30mW,激射波长为0.403 m 阈值以上的光谱半宽小于0.1nm3 . 6 硅上V C S E L [ 2 ]在硅(Si上制作的VCSEL 还未实现室温连续波工作这是由于将AlAs/GaAs 分布Bragg 反射器(DBR直接生长在Si 上形成在界面处结构粗糙从而导致了DBR 较低的反射率日本Toyo hashi 大学T.Tsuji 等人由于在GaAs/Si 异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS 结构而降低了GaAs-on-Si 异质结处延层的螺位错其螺位错密度从109 cm-2 降至107 cm -23 . 7 - 族铅盐V C S E L [ 2 ]鉴于铅盐( - 族的能带结构长期以来铅盐( - 族激光器占据了3 30 m 波长范围中远红外激光器的主导地位具有相干波长可调谐性的这类激光器非常适合于痕量气体分析和大气污染监测中的高分辨率红外显微镜应用虽然这类激光器通常生长在铅盐衬底上但业已证实BaF2 对于铅盐异质结构而言是一种极好的衬底材料替代物奥地利Linz 大学G Springholtz 等人探讨了在4 6 m 光谱范围内实现 VCSEL 的可能性其核心技术是利用MBE 制作铅盐基中远红外Bragg 反射器结构他们关注着各种组份的Pb1-xEuxTe 以实现与作为有源材料的PbTe 相兼容的Bragg 反射器这些多层结构被淀积在解理后的BaF2(111衬底上具有4 6 m 高反射频带的反射器当其具有32 对/4 反射镜对时反射率高达99% 该种微腔PbTe/Pb1-xEuxTe 结构的剖面SEM 照片证实了其具有良好的界面平整性层厚控制和重复率在该项工作中得到的结果使我们看到了- 族中远红外VCSEL 的制作和应用的希望值得一提的是,氧化物限制[1]和衬底选择[2]工艺对实现高质量VCSEL 具有举足轻重的作用氧化物限制的重大意义正如Honeywell 的负责人Ashton 所说在一系列商品化制造中最重要的步骤之一是开发氧化物VCSEL 这种化学淀积工艺可以较好地控制发射区范围和芯片尺寸并具有极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤的能力正因采用了这一步骤Honeywell 的最新氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百A VCSEL 在动力学运行中的偏振稳定性是实现低噪声高速光数据链路和光互连所必须的由于VCSEL 结构完全不具备偏振选择性因此实现偏振稳定性的主要办法是在光学增益和光损耗中引入各向异性一种有效的方法是采用(n11向衬底因为这会使有源区内引入有效的偏振选择机制日本NTT H Uenohara 等人对比了生长在(311B 和(100衬底上的0.85 m GaAs 基V CSEL 的偏振稳定性的差异将生长在(311B 衬底上的VCSEL 的两种相互正交的偏振模式的功率比定义为正交偏振抑制比其值远大于生长在(100衬底上的器件的比值这种差异被认为是由于( 311B第1 卷第3 期飞通光电子技术131 表面的多量子阱的各向异性光增益引起的偏振控制所致4 VCSEL 的应用4 . 1 作为千兆比特光纤通信的光源[ 1 ]由于千兆比特(Gbit/s速率通信网的需求不断上升近期内铜线基局域网(LAN将很快终止铺设而由多模光纤制作的数据通信(datecom链路取而代之早期这种系统依赖0.85 m 或1.3 m 的发光二极管(LED光源其在十至几百Mbit/s 速率下工作显然不能胜任千兆比特LAN 的需求市售的最优秀的 1.3 m LED 仅限于在最大光纤跨距500m 范围内以约622Mb it/s 的数据速率工作在更高速率下廉价的LED 光源就显得躁声太大速率慢且效率低改变上述状况的方法是以低噪声快速的激光器代替LED 鉴于VCSEL 性能比常规端面发射激光器优异得多因此作为光发射机的光源当仁不让地由VCSEL 来承担瑞典Mitel 半导体光学营业部经理Olof Svenonius 说我们走进VCSEL 即是走进数据通信产业的开始人们相信VCSEL 和千兆比特网会代替规模巨大的LED 和兆比特网这主要是由于 VCSEL 显示出优异的性能价格比VCSEL 主要用途之一是短距离大容量并行数据链路采用线性或二维VCSEL 列阵与光纤连接的方法如Infineon 的并行数据系统(PAROLI采用0.85 m 的VCSEL 据推测在适当时候它们会象1.3 m 和1.55 m 激光器那样流行起来许多分析家预见VCSEL 将成为光纤到家( fiber to home装置的合适光源Mitel 正在开发用于网络装置内部和网络之间的VCSEL 产品公司负责人Svenonius 说前者将超过若干米并包括兆兆比特开关路由器和光横向连接器在内的 shelf-to-shelf 和board-to-board 互联网 1.55 m 波段调谐VCSEL 对密集波分复用的应用来说是一种非常有趣而潜在的低成本办法4 . 2 用于光信号存贮的光源可见光VCSEL 和相同结构的探测器可用于光信号存贮系统以提高存贮密度常规光盘读出系统采用端面发射激光器作光源还配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光美国加利弗尼亚大学J.A.Hudgings 等人演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VCSEL 的新型集成光盘读出头[2] 由VCSEL发出的CW 光束恰好聚焦在光盘上而经扩展的反射光束直接进入VCSEL光腔在反向偏置下内腔吸收器的功能是作为光电探测器其产生的光生电流提供一种精确的发自光盘的光反馈变量这种方法能进一步放大由光盘拾取头获得的读出信号当器件被施以偏压工作在光双稳状态下时他们实现了具有-2.5kHz 下0.22V 的峰-峰信号高效探测这种探测技术直至50kHz 时仍然有用这一工作体现了密集的集成光学拾取探测的一种新型方法4 . 3 V C S E L 在光互连中的应用[ 8 , 9 ]VCSEL 及其智能像元可以象其它半导体激光器一样用于光存储读/写光源激光打印显示图像信号处理光通信等方面更为重要的是它可以充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势在光信息处理光互连光交换光计算神经网络等领域具有广阔的应用前景 VCSEL(0.98 m 或0.85 m及其智能像元为光互连技术的发展提供了关键器件美国由HP GE Honeywell Motorola 等几大公司牵头的几个大型计划对VCSEL 激光器在计算机光互连中的实用化做了大量细致和开创性的工作由于将聚合物(Polymer光互连技术用于光的传输媒介整个模块的造价大幅度下降工艺流程日趋简化稳定 1 16 1 32 系列的VCSEL 激光器产品已步入实用化阶段GE 和Honeywell 公司共同研制了用Polymer 作光波导的32 通道VCSEL 光互连模块Motorola 公司在其OPTOBUSTM 互连中用VCSEL 作光源实现了基于多模光纤的10 通道并行双向数据链路光互连AT&T Bell Lab 研制了用于光电集成OEIC 的高密度32 通道16Gb/s 光学数据互连系统其发射模块用VCSEL 阵列作光源NEC 公司研制了含VCSEL(0.98 m的插拔式132 飞通光电子技术2001 年9 月连接器以1Gb/s 速率传输几十米时的误码率为10-11 德国Ulm 大学实现了VCSEL(0.98 m 以10Gb/s 速率传输500m 时误码率小于10-11 日本东京工业大学以K.lga 为首的研究小组将VCSEL 集成面阵与微透镜阵列技术自对准光学技术相结合构成光互连系统以VCSEL 为基础器件的具有高速大容量﹑高并行处理功能的光互连光交换系统有着极好的应用前景及很强的开拓性和探索性从目前器件研究的进展状况来看研究处于发展阶段由于应用性强世界各大公司都在积极开展研究国外一些公司的VCSEL 器件开始步入实用化阶段从应用与市场角度看现在仍处于应用开拓阶段这类研究在发展计算技术和通信技术方面具有战略意义其市场前景广阔应用需求量很大具有重大社会效益和经济效益5 结语 VCSEL 具有常规端面发射激光器无法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长距离宽带高速光通信高速存取光信息处理高性能低成本光互连器件的需求牵引 VCSEL 器件无论从材料种类还是波长结构都呈多元化高速发展趋势目前0.85 0.95 m 波段VCSEL 较为成熟并已实现商用化而 1.3 1.55 m VCSEL 作为长程光通信光源也呈现出新的增长趋势但制作1.3 m 或1.55 m VCSEL 的技术问题还需不断解决参考文献[1]VCSEL meet demands for datacom bandwidth[C]. Fiber System International, 2000,Seb/Mar,39-43.[2] Henini M. Developments continue for VCSEL research[J]. III-Vs Review,200 0,13(1:18. [3]Kazmier ski C. +55 pulse lasing at 1.55μm of all-monolithic InGaAsP/InP v ertical cavity laser[J].Electronics Letters,1999,35(10:811.[4] Burgess D S. Researchers find new uses for an old semiconductor[J]. Phot onics Spectra ,2000:(638. [5] Wang A. .Ellmers C. (GaIn(NAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting la ser with ultrabroad temperature operation range,[J].Appl. Phys. Lett., 2000, 76(3:271. [6]Low-cost 1.3-1.55μm Laser[J]. III-Vs Review, 2000, 13(6:25-29. [7]Song Y K. A quasicontinuous wave, optically pumped violet vertical cavity surface emitting laser[J]. Appl. Phys. Lett., 2000, 76(13:1662. [8] Kosaka H. Smart Integration and Packaging of 2-D VCSEL for High-Speed Pa rallel Links[J]. IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electron., 1999, 5(2:184-192. [9] Krishnamoorthy A V. Goossen K W. 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