什么是垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）？結(jié)構(gòu)，工作原理以及優(yōu)缺點

垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）是一類結(jié)構(gòu)獨特的半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的邊緣發(fā)射激光器不同，VCSEL 垂直于半導(dǎo)體芯片表面發(fā)射光線，從而產(chǎn)生更高效、更精確的光束。常見的 VCSEL 波長包括 850 nm、1310 nm 和 1550 nm 等，適用于數(shù)據(jù)通信、傳感和光互連等各種應(yīng)用。它們能夠發(fā)射光功率，范圍從幾毫瓦到幾瓦不等，具體取決于其設(shè)計和預(yù)期應(yīng)用。

它們通常使用半導(dǎo)體材料制造，最常見的是砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）。這些材料為高效發(fā)光和集成到半導(dǎo)體器件中提供了有利的特性。VCSEL 內(nèi)有多個量子阱 (MQW)，通過將電子和空穴限制在離散的能態(tài)中來增強光功率的產(chǎn)生和控制，從而實現(xiàn)高效的光發(fā)射。VCSEL 效率很高，適用于光數(shù)據(jù)通信和三維傳感等應(yīng)用。

VCSEL 的結(jié)構(gòu)

上圖展示了 VCSEL 的典型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)首先是一個半導(dǎo)體襯底，通常由砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）等材料組成，為其提供堅實的基礎(chǔ)。在基板的正上方，是第一個關(guān)鍵部件，即下部的分布式布拉格反射器（DBR）。DBR 由多層具有不同折射率的交替半導(dǎo)體材料組成，旨在對特定波長的光線進行強烈反射。位于 DBR 上方的是有源區(qū)，它是 VCSEL 的重要組成部分。該區(qū)域通常包含稱為量子阱的超薄層，每個量子阱只有幾納米厚。激光通過量子阱中電子和空穴的重組有效地產(chǎn)生。

環(huán)繞有源區(qū)的是額外的層，通常充當電導(dǎo)體，促進電流注入并作為上部 DBR。上部 DBR 與底部 DBR 一樣，可確保發(fā)射光留在腔內(nèi)，從而實現(xiàn)激光的高效率和精確波長控制?？傊?，這種結(jié)構(gòu)合理的 VCSEL 設(shè)計產(chǎn)生了一種可靠的多功能激光源，應(yīng)用范圍從光通信到傳感技術(shù)。

VCSEL 的工作原理

垂直腔表面發(fā)射激光器通過向半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中注入電流來發(fā)揮作用。電流會導(dǎo)致電子和空穴在半導(dǎo)體有源區(qū)內(nèi)重新結(jié)合，并在此過程中釋放出光子。這些光子被限制在由高反射分布式布拉格反射器（DBR）形成的激光腔內(nèi)，并在其中發(fā)生共振和強度放大。結(jié)果，相干激光通過其中一個分布式布拉格反射器垂直于半導(dǎo)體表面發(fā)射出來。發(fā)射光的功率可通過調(diào)節(jié)注入電流來控制。

VCSEL 的優(yōu)點

效率高： VCSEL 的效率很高，可將大部分輸入電能轉(zhuǎn)化為相干光。

光束質(zhì)量： 發(fā)出的光具有極佳的光束質(zhì)量，適用于要求精確和控制的應(yīng)用，如光學數(shù)據(jù)通信。

波長精度： VCSEL 以精確的波長發(fā)光，因此非常適合光網(wǎng)絡(luò)中的波分復(fù)用（WDM）。

體積小巧： VCSEL 設(shè)計緊湊，可密集集成到光子設(shè)備和消費電子產(chǎn)品中。

VCSEL 的應(yīng)用

VCSEL 廣泛應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等光通信系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)傳輸。它們?yōu)橹悄苁謾C和游戲機等設(shè)備中的深度感應(yīng)技術(shù)提供動力，實現(xiàn)面部識別和增強現(xiàn)實應(yīng)用。自動駕駛汽車和機器人依靠基于 VCSEL 的激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)精確的距離和物體探測。它們還用于激光打印機和光學掃描儀，以實現(xiàn)高分辨率成像和精確的文件復(fù)制。VCSEL 還可用于醫(yī)療儀器，包括內(nèi)窺鏡檢查、生物醫(yī)學成像和激光治療。