VCSEL(垂直腔麵發射激光器)及其陣列是一種新型半導體(ti) 激光器，它是光子學器件在集成化方麵的重大突破，它與(yu) 側(ce) 麵發光的端麵發射激光器在結構上有著很大的不同。端麵發射激光器的出射光垂直於(yu) 晶片的解理平麵；與(yu) 此相反，VCSEL的發光束垂直於(yu) 晶片表麵。它優(you) 於(yu) 端麵發射激光器的表現在：

●易於(yu) 實現二維平麵和光電集成；

●圓形光束易於(yu) 實現與(yu) 光纖的有效耦合；

●有源區尺寸極小，可實現高封裝密度和低閾值電流；

●芯片生長後無須解理、封裝即可進行在片實驗；

●在很寬的溫度和電流範圍內(nei) 都以單縱模工作；

●價(jia) 格低。

(1)結構

(2)襯底的選擇

矽上VCSEL

在矽（Si）上製作的VCSEL還不曾實現室溫連續波工作。這是由於(yu) 將AlAs/GaAs DFB直接生長在#p#分頁標題#e#Si上，其界麵不平整所致，使DFB的反射率較低。 日本Toyohashi大學的研究者由於(yu) 在GaAs/Si異質界麵處引入多層（GaAs）m（GaP）n應變短周期超晶格（SSPS）結構而降低了GaAs-on-Si異質結外延層的螺位錯密度。

藍寶石上VCSEL

美國南方加利福利亞(ya) 大學的光子技術中心為(wei) 使底部發射850nm VCSEL發射的光穿過 襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結構從(cong) 吸收光的GaAs襯底移開，轉移到透明的藍寶石襯底上，提高了wall-plug#p#分頁標題#e#效率，最大值達到25%。
GaAs上VCSEL

基於(yu) GaAs基材料係統的VCSEL由於(yu) 高的Q值而備受研究者青睞，目前VCSEL最多也是生長在GaAs襯底上。但以GaAsSb QW作為(wei) 有源區的CW長波長VCSEL發射波長被限製在1.23 m。發射波長1.3 m的GaAsSb-GaAs係統隻有側(ce) 麵發射激光器中報道過。日前美國貝爾實驗室的F.Quochi等人演示了室溫CW時激射波長為(wei) ～#p#分頁標題#e#1.28 m的生長在GaAs襯底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個(ge) 波長是目前報道的GaAsSb-GaAs材料係最長的輸出波長。

(3)新工藝

氧化物限製工藝

氧化物限製的重大意義(yi) 在於(yu) ：能較高水平地控製發射區麵積和芯片尺寸，並能極大地提高效率和使光束穩定地耦合進單模和多模光纖。因此，采用氧化物限製方案器件有望將閾值電流降到幾百Ａ，而驅動電流達到幾個(ge) mA就足以產(chan) 生1mW左右的輸出光功率。

采用氧化孔徑來限製電流與(yu) 光場，使效率得到顯著提高，同時降低了VCSEL的閾值電流。所以，現在極有可能在單個(ge) 芯片上製作大型和密集型封裝的氧化限製VCSEL陣列而不會(hui) 存在嚴(yan) 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。在駐波節點處設置微氧化孔提高了VCSEL陣列的均勻性，並降低了小孔器件的散射損耗。美國University of Southern California大學日前演示的均勻晶片鍵合氧化限製底部發射850nm VCSEL陣列中，#p#分頁標題#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%，室溫連續波電流激射時單模輸出功率超過2 mW。他們(men) 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於(yu) 4%與(yu) 2%。

晶片鍵合工藝

長波長垂直腔麵發射激光器（LW-VCSEL）因其低價(jia) 格、超低閾值和小的光束發散，作為(wei) 光纖通信係統中的激光源有很大的潛力。但是由於(yu) 它的氧化層和有源層間存在著為(wei) 滿足足夠的電流傳(chuan) 播和弱的光橫向限製的固有距離，使LW-VCSEL遭受橫電光限製，因此在高的結電流時會(hui) 出現一個(ge) 不穩定的橫模圖形。

日本NTT光子實驗室將具有充分的橫向限製的掩埋異質結（BH）引入1.55 m VCSEL#p#分頁標題#e#中，采用了薄膜晶片鍵合工藝使InP基掩埋異質結VCSEL製作在 GaAs-DBR 上。具體(ti) 過程:（a）采用MOCVD生長InP 基激光器結構（第一次生長）；（b）采用反應離子刻蝕（RIE）形成台麵方形；（c）再一次生長摻Fe InP層和n-InP層（第二次生長）；（d）又一次生長p-InP相位匹配和p-InGaAs接觸層（第三次生長）；（e）將外延層安裝在Si板上並用蠟作機械支撐；（#p#分頁標題#e#f）采用HCl和H3PO4化學溶液腐蝕InP襯底和InGaAsP腐蝕中止層；（g）將InP基和GaAs基層的兩(liang) 表麵在相同結晶方向麵對麵放置，然後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鍵合；（h）將台麵上部的p-InGaAs移開並將普通電極和SiO2-TiO2介質鏡從(cong) 台麵上移去。底部塗覆一層抗反射塗層。

因為(wei) 熔合界麵遠離有源區，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(hui) 影響器件特性。

此LW-VCSEL結構有以下優(you) 點：首先，諧振腔波長可在晶片融合之前監控，因此發射波長可以提前控製。第二，激光器工作的可靠性會(hui) 由於(yu) 有源層和InP-GaAs熔合界麵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為(wei) p-GaAs-AlAs DBR#p#分頁標題#e#和p-InP-p-GaAs界麵間的高電阻得到了消除。