垂直腔麵發射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一種在與(yu) 半導體(ti) 外延片垂直方向上形成光學諧振腔、發出的激光束與(yu) 襯底表麵垂直的半導體(ti) 激光器結構，具有尺寸小、功耗低、效率高、壽命長、圓形光束以及二維麵陣集成等優(you) 勢。近年來，由於(yu) VCSEL的市場迅速發展，針對不同的應用需求，VCSEL的功率、速率、能效以及高溫穩定等性能都有了長足的進步，從(cong) 而拓展了VCSEL的應用領域。
近日，中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所王立軍(jun) 院士、寧永強研究員團隊在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為(wei) “垂直腔麵發射激光器研究進展”的綜述文章，共同第一作者是博士研究生張繼業(ye) 和李雪。該綜述重點介紹了VCSEL的研究曆程，簡述了其在高功率、高速、高溫下工作等方麵的研究進展，期望對從(cong) 事該領域研究的學者和研究生有所幫助。
1. 引言圖1 VCSEL的應用
半導體(ti) 激光器是信息化社會(hui) 最具有代表性的關(guan) 鍵光電子器件之一，已經在許多領域得到了廣泛應用。研究人員在邊發射激光器的研製過程中遇到了陣列製備工藝複雜、器件測試困難以及輸出模式和波長難以控製等問題。因此，日本東(dong) 京工業(ye) 大學教授K. Iga提出的VCSEL得到了各方研究人員的重視。
自1990年以來，伴隨著VCSEL器件性能的不斷提高，VCSEL已經得到了市場的廣泛認可，其應用領域也呈爆炸式增長（圖1）。隨著激光泵浦、醫療、軍(jun) 事以及材料加工等應用領域的需求日益增長，高功率VCSEL 成為(wei) 很重要的一個(ge) 研究方向。同時，由於(yu) 先進駕駛係統、雲(yun) 計算、物聯網技術與(yu) 5G通信技術等應用愈發成熟，信息的急劇增加產(chan) 生了對數據帶寬大幅增長的需求，而高速VCSEL因其在光互連和光數據網絡中的應用而成為(wei) 全球研究的熱點。而能應用在光互聯、3D傳(chuan) 感、車載雷達、原子鍾等領域，緣於(yu) VCSEL的關(guan) 鍵特性：穩定的高溫性能和對溫度變化的不敏感。為(wei) 滿足這些應用需求，高溫穩定工作、可靠性高的VCSEL近年來越來越受到關(guan) 注。
2. VCSEL在高功率、高速及高溫下工作的研究進展
自1996年以來，VCSEL器件在功率性能方麵的研究發展迅速。在國內(nei) ，中科院長春光機所通過研究和創新，在國際上首次實現了1.95 W單管VCSEL連續輸出，隨後又將VCSEL陣列式脈衝(chong) 輸出功率提高到210 W。經過國內(nei) 外的不懈努力，VCSEL器件的輸出功率已經達到上千瓦，在紅外照明、泵浦光源、工業(ye) 加熱、LiDAR以及3D傳(chuan) 感等應用領域的市場規模也迅速增長。然而，高功率VCSEL單管或陣列器件均為(wei) 多橫模輸出，導致輸出光束質量很差。為(wei) 了改進光束質量，國內(nei) 外研究人員采用了環形電極、光柵、微透鏡、光子晶體(ti) 以及外腔等技術。
針對高速VCSEL的研究，期望獲得高的調製帶寬，這就需要降低寄生電容、阻尼和熱效應等限製因素對調製帶寬的影響。國內(nei) 外研究人員通過優(you) 化DBR中的導帶和價(jia) 帶界麵及摻雜分布、在信號焊盤下麵使用低介電常數的厚聚絕緣材料作為(wei) 支撐物、引入多個(ge) 深氧化層以及質子注入等方式，850 nm波長的高速VCSEL實現了超過了50 Gbps的無誤碼傳(chuan) 輸、28.2 GHz的調製帶寬。針對980 nm和1 100 nm波長，高速VCSEL由於(yu) 采用InGaAs/GaAs應變量子阱作為(wei) 有源區，最終實現了35 GHz的調製帶寬。
原子鍾和光互聯所應用的光源需要VCSEL器件在高溫環境下工作，所以穩定的高溫性能是必不可少的關(guan) 鍵因素。這需要從(cong) VCSEL芯片表麵刻蝕微結構及增益失諧設計等方麵進行優(you) 化。針對原子鍾的應用光源，中科院長春光機所通過一係列的創新實驗，在國內(nei) 首次實現了795 nm/894 nm VCSEL高溫下高效率工作。而在光互聯應用方麵，經過國外研究機構的優(you) 化後，VCSEL器件結構在高溫下仍能完成60 Gbps無誤碼數據傳(chuan) 輸。並且新結構、新材料和新技術的引入進一步提高了VCSEL的輸出性能，從(cong) 而拓展了VCSEL的應用領域。
3. 展望
雖然VCSEL在高功率、高速、高溫穩定等性能方麵已經有了一些突破性的進展，但是仍存在著一些重要的科學和技術問題亟待解決(jue) 。
（1）高功率VCSEL的研究
高功率VCSEL的輸出功率在幾百毫瓦到幾千瓦之間，裕度達到了4個(ge) 數量級，但是隨著輸出功率的增加，很難保持良好的光束質量。然而，針對LiDAR等汽車應用迎來的機遇，對功率和光束質量有著更高的要求。
（2）高速VCSEL的研究
近幾年的研究報道顯示，短波長高速VCSEL的調製帶寬接近了常規氧化物限製VCSEL的極限，即35 GHz，並且其調製速率的提升依賴於(yu) 調製方式和電子驅動設備的技術進步。而今後高速VCSEL的研究還需要向長波長方向延伸，即1 310 nm和1 550 nm，其光纖損耗遠小於(yu) 短波波段的損耗，可以將通信距離延伸至20 km以上。但是在該波段，VCSEL芯片外延生長有較大難度，因此長波波段高速VCSEL還沒有廣泛應用於(yu) 光互聯。
（3）高溫工作VCSEL的研究
原子鍾和光互聯所應用的光源是高溫工作VCSEL器件最具有代表性的應用方向。然而，VCSEL的性能在高溫下會(hui) 嚴(yan) 重退化，導致閾值電流增大，斜率效率降低，並且諧振載流子光子相互作用的本征阻尼也會(hui) 影響VCSEL的調製速度。高溫工作下可靠性高的VCSEL器件將是未來研究的重點。
總之，從(cong) 數據通訊到智能傳(chuan) 感，VCSEL的應用市場日益多樣化，其正在成為(wei) 支持當前和未來信息社會(hui) 不可或缺的關(guan) 鍵組件。
作者簡介（通訊作者）
寧永強，博士，研究員，博士研究生導師。1999年於(yu) 中科院長春物理所獲得博士學位，2009年度被推薦為(wei) 新世紀百千萬(wan) 人才工程國家級人選，2015年獲科技部創新人才推進計劃“大功率半導體(ti) 激光器重點領域創新團隊”，擔任團隊負責人。2015年獲得吉林省技術發明一等獎。近年來在大功率垂直腔麵發射激光研究中，率領團隊於(yu) 2014年研製出210W高峰值功率VCSEL列陣器件(Japanese J. Applied Physics, 2014年7月)，美國Semiconductor Today（2014年7月）以“垂直腔麵發射激光集成麵陣輸出功率210 W”為(wei) 題專(zhuan) 文進行了評述。在芯片原子鍾專(zhuan) 用高溫垂直腔麵發射激光方麵，組織團隊突破InAlGaAs等新材料結構設計與(yu) 製備等問題，在國內(nei) 首次實現了795 nm/894 nmVCSEL在高溫（>70 ℃）下高效率工作。
王立軍(jun) ，研究員，中國科學院院士，博士研究生導師，１９８２ 年於(yu) 吉林大學獲得碩士學位，主要從(cong) 事激光技術等領域的基礎及應用研究。
文章信息
張繼業(ye) , 李雪, 張建偉(wei) , 等. 垂直腔麵發射激光器研究進展[J]. 發光學報, 2020, 41(12):1443-1459.