VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)及其陣列是一種新型半導(dǎo)體激光器，它是光子學(xué)器件在集成化方面的重大突破，它與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同。端面發(fā)射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；與此相反，VCSEL的發(fā)光束垂直于晶片表面。它優(yōu)于端面發(fā)射激光器的表現(xiàn)在：

●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；

●圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合；

●有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；

●芯片生長(zhǎng)后無須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)；

●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；

●價(jià)格低。

(1)結(jié)構(gòu)

(2)襯底的選擇

硅上VCSEL

在硅（Si）上制作的VCSEL還不曾實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。這是由于將AlAs/GaAs DFB直接生長(zhǎng)在#p#分頁標(biāo)題#e#Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率較低。 日本Toyohashi大學(xué)的研究者由于在GaAs/Si異質(zhì)界面處引入多層（GaAs）m（GaP）n應(yīng)變短周期超晶格（SSPS）結(jié)構(gòu)而降低了GaAs-on-Si異質(zhì)結(jié)外延層的螺位錯(cuò)密度。

藍(lán)寶石上VCSEL

美國南方加利福利亞大學(xué)的光子技術(shù)中心為使底部發(fā)射850nm VCSEL發(fā)射的光穿過 襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結(jié)構(gòu)從吸收光的GaAs襯底移開，轉(zhuǎn)移到透明的藍(lán)寶石襯底上，提高了wall-plug#p#分頁標(biāo)題#e#效率，最大值達(dá)到25%。
GaAs上VCSEL

基于GaAs基材料系統(tǒng)的VCSEL由于高的Q值而備受研究者青睞，目前VCSEL最多也是生長(zhǎng)在GaAs襯底上。但以GaAsSb QW作為有源區(qū)的CW長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL發(fā)射波長(zhǎng)被限制在1.23 m。發(fā)射波長(zhǎng)1.3 m的GaAsSb-GaAs系統(tǒng)只有側(cè)面發(fā)射激光器中報(bào)道過。日前美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的F.Quochi等人演示了室溫CW時(shí)激射波長(zhǎng)為～#p#分頁標(biāo)題#e#1.28 m的生長(zhǎng)在GaAs襯底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個(gè)波長(zhǎng)是目前報(bào)道的GaAsSb-GaAs材料系最長(zhǎng)的輸出波長(zhǎng)。

(3)新工藝

氧化物限制工藝

氧化物限制的重大意義在于：能較高水平地控制發(fā)射區(qū)面積和芯片尺寸，并能極大地提高效率和使光束穩(wěn)定地耦合進(jìn)單模和多模光纖。因此，采用氧化物限制方案器件有望將閾值電流降到幾百Ａ，而驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到幾個(gè)mA就足以產(chǎn)生1mW左右的輸出光功率。

采用氧化孔徑來限制電流與光場(chǎng)，使效率得到顯著提高，同時(shí)降低了VCSEL的閾值電流。所以，現(xiàn)在極有可能在單個(gè)芯片上制作大型和密集型封裝的氧化限制VCSEL陣列而不會(huì)存在嚴(yán)重的過熱問題。除低閾值電流和高效率外，均勻性是成功的VCSEL陣列的又一重要因素。在駐波節(jié)點(diǎn)處設(shè)置微氧化孔提高了VCSEL陣列的均勻性，并降低了小孔器件的散射損耗。美國University of Southern California大學(xué)日前演示的均勻晶片鍵合氧化限制底部發(fā)射850nm VCSEL陣列中，#p#分頁標(biāo)題#e#5 5 VCSEL陣列的平均閾值電流低至346 A，而平均外量子效率接近57%，室溫連續(xù)波電流激射時(shí)單模輸出功率超過2 mW。他們還演示了大（10 20）VCSEL陣列，其閾值電流和外量子效率的變化分別低于4%與2%。

晶片鍵合工藝

長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器（LW-VCSEL）因其低價(jià)格、超低閾值和小的光束發(fā)散，作為光纖通信系統(tǒng)中的激光源有很大的潛力。但是由于它的氧化層和有源層間存在著為滿足足夠的電流傳播和弱的光橫向限制的固有距離，使LW-VCSEL遭受橫電光限制，因此在高的結(jié)電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的橫模圖形。

日本NTT光子實(shí)驗(yàn)室將具有充分的橫向限制的掩埋異質(zhì)結(jié)（BH）引入1.55 m VCSEL#p#分頁標(biāo)題#e#中，采用了薄膜晶片鍵合工藝使InP基掩埋異質(zhì)結(jié)VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具體過程:（a）采用MOCVD生長(zhǎng)InP 基激光器結(jié)構(gòu)（第一次生長(zhǎng)）；（b）采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）形成臺(tái)面方形；（c）再一次生長(zhǎng)摻Fe InP層和n-InP層（第二次生長(zhǎng)）；（d）又一次生長(zhǎng)p-InP相位匹配和p-InGaAs接觸層（第三次生長(zhǎng)）；（e）將外延層安裝在Si板上并用蠟作機(jī)械支撐；（#p#分頁標(biāo)題#e#f）采用HCl和H3PO4化學(xué)溶液腐蝕InP襯底和InGaAsP腐蝕中止層；（g）將InP基和GaAs基層的兩表面在相同結(jié)晶方向面對(duì)面放置，然后在室溫下蠟熔解而使Si片分開，將樣品送入退火爐以形成化學(xué)鍵合；（h）將臺(tái)面上部的p-InGaAs移開并將普通電極和SiO2-TiO2介質(zhì)鏡從臺(tái)面上移去。底部涂覆一層抗反射涂層。

因?yàn)槿酆辖缑孢h(yuǎn)離有源區(qū)，而且它不在器件電流通過的路徑上，所以晶片鍵合過程不會(huì)影響器件特性。

此LW-VCSEL結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，諧振腔波長(zhǎng)可在晶片融合之前監(jiān)控，因此發(fā)射波長(zhǎng)可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性會(huì)由于有源層和InP-GaAs熔合界面之間有足夠距離而變得很高。此外，它能低電壓工作的潛力在很大程度上是因?yàn)?/span>p-GaAs-AlAs DBR#p#分頁標(biāo)題#e#和p-InP-p-GaAs界面間的高電阻得到了消除。