VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲(chǔ)和光通信應(yīng)用的核心器件，為互聯(lián)網(wǎng)的需求和光學(xué)存儲(chǔ)密度的不斷提高提供了一條新途徑。隨著VCSEL的研究深入以及應(yīng)用需求的拓展，VCSEL不僅在手機(jī)、消費(fèi)性電子等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，VCSEL還可以用來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別、3D感測(cè)、手勢(shì)偵測(cè)和VR(虛擬現(xiàn)實(shí))/AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))/MR(混合現(xiàn)實(shí))等。當(dāng)然，VCSEL將來(lái)也可以大量應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、RF元件、ADAS(先進(jìn)駕駛系統(tǒng))等，所以VCSEL未來(lái)應(yīng)用和市場(chǎng)熱度應(yīng)該會(huì)受到更多的重視。
尤其是近期蘋(píng)果公司宣布iphone 8即將采用VCSEL半導(dǎo)體激光器技術(shù)，VCSEL更是引起廣泛關(guān)注。業(yè)界認(rèn)為VCSEL產(chǎn)品進(jìn)入蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)鏈不僅是產(chǎn)業(yè)公司業(yè)務(wù)的重大突破，更是以VCSEL技術(shù)為代表的半導(dǎo)體激光技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域的重大突破，VCSEL激光器將進(jìn)入iphone產(chǎn)業(yè)鏈，光器件也將從工業(yè)領(lǐng)域走向消費(fèi)領(lǐng)域[1]。
為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)各種VCSEL產(chǎn)品的需求，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化得到各方研究人員的重視。世界上各大公司也是重點(diǎn)把握住VCSEL市場(chǎng)，及時(shí)地制備出各種滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，搶占先機(jī)。本文將從商用和實(shí)驗(yàn)室研究?jī)纱蠓矫鎸?duì)VCSEL進(jìn)行概括描述。
商用VCSEL
在當(dāng)下這個(gè)VCSEL產(chǎn)品被廣泛需求的時(shí)代，世界上各家致力于VCSEL研究與制造的公司均推出了各有千秋的VCSEL產(chǎn)品。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)Princeton optronics，Vixar，Ⅱ-Ⅵ，F(xiàn)inisar，Philips Photonics、華芯半導(dǎo)體科技有限公司這幾家公司的最新產(chǎn)品進(jìn)行介紹。
Princeton Optronics：該公司成立于1993年，一直致力于高效率，低功耗VCSEL器件及模塊尖端技術(shù)的研發(fā)，是一家主要從事VCSEL以及基于VCSEL的光學(xué)組件和模塊的私營(yíng)公司。
在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，公司開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為808 nm的1 × 8 VCSEL陣列，其準(zhǔn)連續(xù)輸出功率(在200ns脈沖寬度、1%占空比的操作條件下)大于300 mW，具有光譜寬度小于1 nm、波長(zhǎng)輸出穩(wěn)定、可靠性高和能夠在高達(dá)80℃的溫度下工作的優(yōu)點(diǎn)，該產(chǎn)品主要應(yīng)用在激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)和無(wú)人駕駛汽車(chē)方面。
在紅外照明應(yīng)用領(lǐng)域，公司開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為808 nm、850 nm、945 nm、975 nm以及1064 nm的VCSEL器件。其中808 nm的VCSEL陣列最高準(zhǔn)輸出功率達(dá)800 W，光譜寬度為3 nm。波長(zhǎng)為850 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá)4 W，具有光譜寬度小于2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。波長(zhǎng)為945 nm的VCSEL陣列最高準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)8 W，光譜寬度小于1 nm。波長(zhǎng)為975 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá)100 W，具有光譜寬度小于1 nm、可靠性高、低熱阻(~0.16?C/W)以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。波長(zhǎng)為1064 nm的VCSEL陣列最高連續(xù)輸出功率達(dá)40 W，具有光譜寬度小于2 nm、可靠性高以及能在高溫(80℃)下工作的優(yōu)點(diǎn)。這些器件均可應(yīng)用于夜間和霧天的輔助駕駛、安全和監(jiān)控?cái)z像機(jī)，有些還可應(yīng)用于醫(yī)療以及固態(tài)激光泵等方面。
由于VCSEL在紅外照明方面的應(yīng)用廣泛，該公司還針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)了多種照明器，比如波長(zhǎng)為808 nm和976 nm的二維VCSEL照明器件。針對(duì)短程監(jiān)控應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為808 nm和976 nm的緊湊型瓦級(jí)照明器模塊,全發(fā)散角約為20?(1/e2值全寬)；
針對(duì)諸如爆炸或塵云的不利條件進(jìn)行檢測(cè)的軍事應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為976 nm的千瓦級(jí)照明器，該照明器使用9個(gè)高功率VCSEL陣列制作，其中每個(gè)陣列的連續(xù)輸出功率都大于1200 W；針對(duì)大于200 m長(zhǎng)距離范圍的照明，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為808 nm的100瓦級(jí)照明器。
在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為650 nm的高功率(15 W)紅色激光器件和陣列，這些陣列具有功率轉(zhuǎn)換效率大于20%、光譜寬度約為1 nm和具有18?發(fā)散角(全角)的圓形光束的特點(diǎn)，可以用于醫(yī)療和照明。除此之外還開(kāi)發(fā)了兩款波長(zhǎng)為688 nm的VCSEL器件，一款為連續(xù)輸出功率為1 mW的單器件VCSEL，另一款為連續(xù)輸出功率為2 W的VCSEL陣列。
在2015年該公司應(yīng)用新技術(shù)開(kāi)發(fā)了780 nm，795 nm和850 nm三種波長(zhǎng)的單頻VCSEL ，其輸出功率大于100 mW，線(xiàn)寬小于100 kHz，這類(lèi)VCSEL器件應(yīng)用于原子鐘。
Vixar ：該公司成立于2005年，在VCSEL技術(shù)研發(fā)與制造方面戰(zhàn)績(jī)頗豐，為生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、辦公產(chǎn)品、汽車(chē)和消費(fèi)品行業(yè)的傳感器等應(yīng)用制造波長(zhǎng)在650 nm至1000 nm之間的VCSEL。
在激光測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為670~690 nm和830~860 nm的單模VCSEL，連續(xù)輸出功率分別為0.7 mW和1 mW，線(xiàn)寬分別為小于100 MHz和約為50 MHz。
在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了兩款VCSEL，一款是波長(zhǎng)為670~690 nm的多模VCSEL，連續(xù)輸出功率為3.5 mW，調(diào)制速度高達(dá)10 Gb/s，光譜寬度為1 nm。另一款是波長(zhǎng)為765~780 nm的VCSEL，連續(xù)輸出功率為3 mW，調(diào)制速度高達(dá)10 Gb/s，光譜寬度為1 nm。
在低光激光治療應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為670~690 nm的多模VCSEL以及高功率VCSEL陣列，連續(xù)輸出功率分別為6 mW和300 mW，光譜寬度為1 nm。
在原子鐘應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為790~800 nm和885~905 nm的單模VCSEL，連續(xù)功率均為0.1 mW，線(xiàn)寬分別為小于50 MHz和約為50 MHz。
在手勢(shì)識(shí)別傳感器、安全紅外照明和3D掃描等應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為830~860 nm的多模VCSEL陣列，公布的VCSEL陣列輸出功率有10 mW, 750 mW, 2 W和10 W，線(xiàn)寬約為1 nm。
Ⅱ-Ⅵ公司：II-VI激光企業(yè)有限公司是一家全球性的運(yùn)營(yíng)和創(chuàng)新公司，2016年初收購(gòu)了Anadigics公司，主要進(jìn)行VCSEL的研發(fā)與生產(chǎn)，為業(yè)界提供領(lǐng)先的VCSEL激光解決方案。
在數(shù)據(jù)通信和光互連應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為850 nm的高速多模VCSEL，光輸出功率為2.5 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Gb/s，滿(mǎn)足了高速數(shù)據(jù)通信的嚴(yán)格要求。并且此類(lèi)VCSEL器件能夠在多橫向模式或單縱向模式下工作，具有低發(fā)散角的圓形對(duì)稱(chēng)光束，使其能夠很有效地耦合到50/125 µm和62.5/125 µm多模光纖中。除了單器件VCSEL，還有兩款波長(zhǎng)為850 nm的高速多模VCSEL陣列，一款VCSEL陣列的光輸出功率為2.2 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率為14 Gb/s。另一款VCSEL陣列的光輸出功率為2.5 mW，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 Gb/s。
在感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為850 nm的低功率單模VCSEL器件，輸出功率為1 mW，具有穩(wěn)定的偏振和對(duì)稱(chēng)的圓形高斯光束等特點(diǎn)。除此之外，還有兩款波長(zhǎng)為850 nm的高功率VCSEL。一款是單器件VCSEL，輸出功率達(dá)到10 mW，具有功耗低、可靠性高和圓形光束的特點(diǎn)。另一款是可擴(kuò)展的二維VCSEL陣列，在50℃溫度下輸出功率最高達(dá)到900 mW，具有功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到35%和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于手勢(shì)識(shí)別。
還有波長(zhǎng)為795 nm的單模VCSEL器件，最大輸出功率為1 mW，線(xiàn)寬小于30 MHz，可應(yīng)用于原子鐘光學(xué)泵浦。
Finisar ：該公司成立于1987年，近三十年來(lái)，他們提供突破性的光學(xué)技術(shù)和領(lǐng)先的產(chǎn)品，為電訊設(shè)備及服務(wù)商、光學(xué)顯示、安全系統(tǒng)、醫(yī)療器械、環(huán)保設(shè)備、航空及防御體系提供光學(xué)組件、模塊及子系統(tǒng)。
在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為850 nm的VCSEL，傳輸距離為550 m，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)10 Gb/s，有小于0.6 W的低功率損耗，能夠應(yīng)用在高速以太網(wǎng)、光纖通道以及高速數(shù)據(jù)連接等方面。
在感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為850 nm的VCSEL，在低電流(7~15 mA)驅(qū)動(dòng)下能夠提供高的輸出功率(1.5 mW)，頻率大于1 GHz。
在手勢(shì)識(shí)別和3D相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為860 nm的二維VCSEL陣列，在室溫下能夠達(dá)到大于500 mW的連續(xù)輸出功率，在窄脈沖(小于10 ns)和低占空比注入(小于1%)條件下，可以達(dá)到10 W的峰值功率。此陣列在脈沖工作條件下能夠發(fā)射高斯形光束，并且上升和下降時(shí)間小于1 ns。
Philips Photonics：該公司成立于1891年，是應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、消費(fèi)和工業(yè)的VCSEL技術(shù)、設(shè)計(jì)和制造的全球領(lǐng)先制造商。公司擁有非常全面的產(chǎn)品組合，從用于數(shù)據(jù)通信的高速VCSEL到用于安全、監(jiān)控和夜視應(yīng)用的紅外照明模塊，從用于感測(cè)應(yīng)用的單模VCSEL到用于精確測(cè)量速度和距離的智能激光多普勒傳感器。還有為工業(yè)加熱和光泵浦應(yīng)用提供紅外輻射模塊。
在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了高速VCSEL，其中波長(zhǎng)為850 nm的VCSEL器件有兩款產(chǎn)品，一款輸出功率為1.5 mW，速度可高達(dá)14 Gb/s，調(diào)制帶寬為3 DB。另一款輸出功率為2 mW，速度可達(dá)到5 Gb/s，調(diào)制帶寬為3 DB。除此之外，公司還提供了很多數(shù)據(jù)通信VCSEL陣列，根據(jù)具體要求VCSEL可以具有單模或多模操作，最高達(dá)到24 mW的光輸出功率。
在工業(yè)熱處理的很多應(yīng)用領(lǐng)域，公司提供了很好的解決方案，將數(shù)十瓦到數(shù)十千瓦的紅外輸出功率聚集到特定的目標(biāo)區(qū)域，能量強(qiáng)度在傳統(tǒng)的端面發(fā)射激光器和LED之間。該系統(tǒng)是基于高功率VCSEL陣列的模塊組合，模塊簡(jiǎn)單并且堅(jiān)固，能夠很容易地以緊湊方式集成到產(chǎn)品上，公司能夠根據(jù)客戶(hù)的特定需求給出量身定制的解決方案。比如應(yīng)用紅外功率系統(tǒng)制作了準(zhǔn)連續(xù)輸出功率為500 W的倒裝發(fā)光泵浦模塊和連續(xù)輸出功率為100 W的正裝發(fā)光泵浦模塊。
在紅外照明應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)的VCSEL器件能夠達(dá)到6 W的光功率輸出，具有光譜寬度為2 nm、可靠性高以及功率轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，主要波長(zhǎng)有808 nm、850 nm、940 nm和980 nm。該技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)控、車(chē)牌識(shí)別和3D相機(jī)等。
在感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了基于飛利浦激光多普勒技術(shù)的雙眼激光傳感器產(chǎn)品系列。這些雙眼激光傳感器可以被應(yīng)用于消費(fèi)者和專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品的輸入設(shè)備，例如PC外圍設(shè)備，游戲應(yīng)用和軌跡球設(shè)備。該公司開(kāi)發(fā)的雙眼激光傳感器是第一個(gè)也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的3D動(dòng)態(tài)感應(yīng)導(dǎo)航傳感器，并且符合1級(jí)人眼安全要求。
國(guó)內(nèi)方面：江蘇華芯半導(dǎo)體科技有限公司于2017年3月2日宣布，其自主開(kāi)發(fā)的30 G VCSEL芯片已通過(guò)客戶(hù)測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。該VCSEL芯片完全采用自主創(chuàng)新的專(zhuān)利技術(shù)，特別是獨(dú)有的納米層精確控制與補(bǔ)償外延技術(shù)和芯片BCB平整制程，使得該芯片具備高頻、高溫、高濕以及復(fù)雜電磁環(huán)境工作的能力，可大大降低數(shù)據(jù)中心的耗電量。此款850 nm中心波長(zhǎng)的VCSEL芯片的主要參數(shù)為：功率大于3.5 mW@6 mA，RMS譜寬小于0.4 nm，閾值電流0.8~1.2 mA，斜率效率0.5~0.7 W/A。
對(duì)于商用VCSEL產(chǎn)品可以將其大體劃分為三個(gè)階段，第一階段為在VCSEL發(fā)現(xiàn)之初，由于它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)比如圓形對(duì)稱(chēng)光斑、閾值電流低、無(wú)腔面閾值損傷等，迅速引起了人們的廣泛關(guān)注與研究熱潮，也成功地在很多領(lǐng)域取代了邊發(fā)射激光器以及LED的地位；第二階段為發(fā)現(xiàn)了VCSEL易于二維集成的特性，由此使得VCSEL器件的輸出功率得到了前所未有的提高，解決了例如遠(yuǎn)距離照明、醫(yī)療應(yīng)用等很多領(lǐng)域的難題；第三個(gè)階段為發(fā)現(xiàn)了VCSEL單器件的可調(diào)制性，使其迅速應(yīng)用在了傳感器等領(lǐng)域。希望在未來(lái)可以發(fā)現(xiàn)更多VCSEL到目前為止還未開(kāi)發(fā)的新性能，使其更好地服務(wù)于我們的生活。
研究領(lǐng)域VCSEL
自VCSEL概念被提出以來(lái)，其各方面的研究受到了各個(gè)研究單位的垂青，尤其是如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能是一大研究熱點(diǎn)，以下從不同優(yōu)化VCSEL器件結(jié)構(gòu)性能的方式來(lái)介紹近幾年來(lái)VCSEL的研究現(xiàn)狀。
VCSEL器件中電流分布的優(yōu)化。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究對(duì)VCSEL研究成果匪淺，Jianwei Zhang等人[9]在2014年報(bào)告了波長(zhǎng)約為980 nm的高峰值功率VCSE準(zhǔn)陣列，在報(bào)告中通過(guò)優(yōu)化電流分布來(lái)提高大孔徑VCSEL的外部量子效率，并且開(kāi)發(fā)了具有62 W峰值功率的單器件VCSEL作為陣列的基本單元。陣列采用4個(gè)高功率 VCSEL單管串聯(lián)連接，尺寸為2.2 mm × 2.2 mm，在30 ns和5 kHz脈沖條件下，當(dāng)電流為110 A時(shí)，輸出功率大于210 W。
高世杰等人]在2016年通過(guò)優(yōu)化波長(zhǎng)為980 nm的VCSEL單元器件結(jié)構(gòu)，有效抑制了寬面VCSEL結(jié)構(gòu)中的非均勻電流分布，提高了單元器件的斜率效率，獲得了直徑為400 µm，峰值輸出功率為62 W的VCSEL單元器件。在此基礎(chǔ)上，研制出由單元器件組合封裝而成的VCSEL“準(zhǔn)列陣”子模塊以及集成驅(qū)動(dòng)電路的微型化VCSEL脈沖激光光源，該光源在脈沖驅(qū)動(dòng)條件為30 ns，2 kHz，105 A條件下的峰值輸出功率達(dá)到226 W，光脈沖寬度35 ns，中心波長(zhǎng)979.4 nm，斜率效率達(dá)到2.15 W/A。
VCSEL器件中DBR的優(yōu)化。張金勝等人在2014年為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為808 nm VCSEL的高功率輸出，對(duì)VCSEL的DBR結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了AlxGa1−xAs材料中Al組分對(duì)于折射率與吸收的影響，并最終確定了DBR的高、低折射率材料為Al0.2Ga0.8As和Al0.1Ga0.9As，P面DBR對(duì)數(shù)為23對(duì)，N面DBR對(duì)數(shù)為39.5對(duì)。采用非閉合環(huán)結(jié)構(gòu)制備2 × 2 VCSEL列陣。通過(guò)波形分析法對(duì)VCSEL列陣的功率進(jìn)行了測(cè)量:在脈沖寬度為20 ns、重復(fù)頻率為100 Hz、注入電流為110 A的條件下，最大峰值功率為30 W，在脈沖寬度為60 ns、重復(fù)頻率為100 Hz、注入電流為30 A的條件下，最大功率為9 W。
Holger Moench等人在2014年也對(duì)DBR進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使808 nm高功率VCSEL陣列的輸出
功率和輸出效率均得到了提高，研究表明VCSEL性能的優(yōu)化，可以通過(guò)平衡DBR反射鏡各層中的電光損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉瓷溏R必須滿(mǎn)足矛盾的要求：一方面，它們應(yīng)當(dāng)具有良好的電導(dǎo)來(lái)達(dá)到低電阻，這就要求提高摻雜來(lái)。另一方面，由于反射鏡位于激光器的光路中，所以它們應(yīng)當(dāng)具有最小的光吸收損耗，這就要求在反射鏡中低摻雜。他們?cè)陔姾凸鈸p耗的平衡之后選擇DBR對(duì)數(shù)的最佳數(shù)量，N面DBR對(duì)數(shù)為41對(duì)，P面DBR對(duì)數(shù)為20對(duì)，測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的808 nm正裝發(fā)射VCSEL最大輸出功率增加了1.7倍，最大電光效率已經(jīng)從30%提高到46%。
VCSEL器件中量子阱增益及腔模位置等材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。張星等人在2016年報(bào)道了自行研制的波長(zhǎng)為894 nm的VCSEL以及基于此類(lèi)器件的芯片級(jí)銫原子鐘系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們根據(jù)芯片級(jí)銫原子鐘對(duì)VCSEL在特定高溫環(huán)境下產(chǎn)生894.6 nm線(xiàn)偏振激光的要求，對(duì)器件的量子阱增益及腔模位置等材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定增益–腔模失諧量為−15 nm，使器件的基本性能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，研制的VCSEL器件指標(biāo)為：20~90℃溫度范圍內(nèi)閾值電流保持在0.20~0.23 mA，0.5 mA工作電流下輸出功率大于0.1 mW；85.6℃溫度環(huán)境下激光波長(zhǎng)894.6 nm，偏振選擇比59.8:1；采用所研制的VCSEL與銫原子作用，獲得了芯片級(jí)銫原子鐘實(shí)施激光頻率穩(wěn)頻的吸收譜線(xiàn)和實(shí)施微波頻率穩(wěn)頻的相干布居囚禁譜線(xiàn)。
VCSEL器件的新型結(jié)構(gòu)。Mohammad Yazdanypoor等人在2014年提出了一種具有多氧化物層結(jié)構(gòu)的新型VCSEL，這種新型結(jié)構(gòu)的VCSEL設(shè)計(jì)了4個(gè)氧化層并且氧化層的孔徑大小和厚度均不相同，具有12 mW單模光輸出功率和0.7 mA閾值電流，表明了該種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的單模光輸出功率。
X.Yang等人在2015年報(bào)道了小尺寸單模無(wú)氧化層的VCSEL，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵是控制光刻和消除氧化層能夠減小熱阻、電阻以及內(nèi)部應(yīng)力，尤其是比常規(guī)VCSEL更加容易控制發(fā)光孔經(jīng)的大小，其在單模輸出時(shí)具有高的功率轉(zhuǎn)換效率，測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)光孔徑為2 um時(shí)，能產(chǎn)生8 mW的單橫模功率, 功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到46%，斜率效率大于73%，閾值電流低至300 µA。當(dāng)發(fā)光孔徑為1 µm時(shí)，能產(chǎn)生大于5 mW的單模功率，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到37%，斜率效率大于79%，同時(shí)這種器件還具有低結(jié)溫的優(yōu)勢(shì)。此類(lèi)VCSEL器件可用于高速光互連和高功率陣列以及需要單模操作的傳感器等一系列應(yīng)用。
長(zhǎng)春理工大學(xué)的馮源等人在2014年設(shè)計(jì)并制備了一種波長(zhǎng)為980 nm新型內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu)VCSEL，這種新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是從降低等效電阻方面進(jìn)行考慮，把P面電極設(shè)計(jì)成內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu)，在出光孔徑為16 µm時(shí)，同時(shí)制備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)兩種器件并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)VCSEL的閾值電流為11.5 mA，當(dāng)注入電流為34 mA時(shí)，最大輸出功率達(dá)到7.3 mW；新結(jié)構(gòu)器件的閾值電流為9 mA，當(dāng)注入電流為35 mA時(shí)，最大輸出功率達(dá)到10.2 mW；新結(jié)構(gòu)的閾值電流降低了21.7%，最大輸出功率提高了28%。結(jié)果表明，采用這種新型內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu)能夠降低體電阻，提高輸出功率，進(jìn)而可改善VCSEL的光電性能。
VCSEL器件其它方式的性能優(yōu)化。Kai-Lun Chi等人在2014年對(duì)波長(zhǎng)為850 nm的單模VCSEL陣列進(jìn)行了研究,他們通過(guò)使用具有適當(dāng)陣列間距的Zn擴(kuò)散孔，已經(jīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有高連續(xù)功率140 mW和窄發(fā)散角5?的圓形對(duì)稱(chēng)圖案。
Yuta Aoki等人[19]在2014年報(bào)道了質(zhì)子注入型倒裝高功率VCSEL陣列，該陣列集成了635個(gè)VCSEL單管，每個(gè)單管VCSEL在持續(xù)工作下的輸出功率達(dá)到了380 mW，這些VCSEL單管由質(zhì)子注入限定并在5 mm × 5 mm正方形中以175 µm間距的緊密排列，在準(zhǔn)連續(xù)波的工作模式下該陣列實(shí)現(xiàn)了超過(guò)200 W的輸出功率，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明質(zhì)子注入在大功率VCSEL陣列制備上有很高的應(yīng)用前景。
蔡麗娥等人在2016年利用金屬有機(jī)物氣相沉積技術(shù)(MOCVD)在(0001)藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了GaN
基VCSEL的多量子阱腔層結(jié)構(gòu)，X射線(xiàn)衍射測(cè)量顯示該多量子阱具有良好周期結(jié)構(gòu)和平整界面，運(yùn)用鍵合及激光剝離技術(shù)將該外延片制作成VCSEL，頂部和底部反射鏡為極高反射率的介質(zhì)膜DBR。在室溫、紫外脈沖激光的泵浦條件下，觀(guān)察到了VCSEL明顯的激射現(xiàn)象，峰值波長(zhǎng)位于447.7 nm，半高寬為0.11 nm，自發(fā)輻射因子約為6.0 × 10−2，閾值能量密度約為8.8 mJ/cm2。
Hai-Han Lu等人在2016年提出了一種基于56 Gb/s LiFi (Light Fidelity可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信)傳輸技術(shù)，該技術(shù)使用VCSEL發(fā)射源，能夠在20米的自由空間鏈路上實(shí)現(xiàn)低誤碼率的、清晰的3維視圖，這種創(chuàng)新性的技術(shù)在未來(lái)無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施中將會(huì)發(fā)揮更大更重要的作用，進(jìn)而有效的提高傳輸速率以及自由空間的傳輸距離。
張巖等人在2017年發(fā)表的文章中表明，他們?cè)O(shè)計(jì)并制備了波長(zhǎng)為795 nm的單模VCSEL，根據(jù)對(duì)VCSEL的光場(chǎng)和模式的分析和計(jì)算結(jié)果，采用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)了外延結(jié)構(gòu)，制備了不同有源區(qū)直徑的氧化限制型VCSEL芯片并進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)有源區(qū)直徑從6 um減小到3 um時(shí)，VCSEL芯片的邊模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB，閾值電流由0.77 mA減小到0.35 mA。有源區(qū)直徑為6、5、4和3 um的VCSEL芯片的輸出功率分別為0.37、0.46、0.58和0.44 mW，有源區(qū)直徑為4 um的VCSEL芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)為圓形光束，發(fā)散角為15?，85℃時(shí)3.5 um有源區(qū)直徑的VCSEL芯片輸出功率為0.125 mW，激射波長(zhǎng)為795.3 nm，室溫3 dB帶寬大于8 GHz，滿(mǎn)足了銣原子傳感器對(duì)VCSEL單模光譜、輸出功率及調(diào)制速率的要求。
結(jié)論
隨著市場(chǎng)對(duì)VCSEL的需要日益多樣化，國(guó)內(nèi)外各大公司以及研究機(jī)構(gòu)均是順應(yīng)潮流對(duì)其進(jìn)行深入研究，優(yōu)化VCSEL性能以及提高輸出功率。相信在不久的未來(lái)，VCSEL將會(huì)有更好的發(fā)展，為我們的生活提供更多的便利。
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