产业 | 垂直腔面发射激光器的产业发展-凯时k66会员登录

vcsel有何不同？

各半导体层是通过金属有机物化学气相沉积（mocvd）技术在n型gaas衬底上生长而成的。其主要由dbr作为激光腔镜，量子阱有源区（mqws）夹在n-dbr和p-dbr之间，由于量子阱厚度小，单程增益很小，因此反射镜的反射率较高，一般全反腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率(一般也大于99%)，然后在衬底和p-dbr外表面制作金属接触层。并在p-dbr或n-dbr上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后放在导热性好的热沉上，提高芯片的散热性能。由于gaas衬底对800 nm附近的光有强吸收，所以在这个波段的器件一般采取顶发射结构。底发射结构一般用于产生976 nm和1064 nm波段，为了减少衬底的吸收损耗，通常要将衬底减薄到150 μm以下，再生长一层增透膜，提高激光光束质量[1]。

vcsel常用的原材料有砷化镓（gaas）、磷化铟（inp）或氮化镓（gan）等发光化合物半导体。vcsel与其它半导体激光发光原理一样，首先是粒子数反转，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，实现粒子数反转；当电子由导带返回价带时，将能量以光能的形式释放出来，即受激辐射作用。然后依靠上下两个dbr反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个dbr反射镜之间反射，不停地通过有源区，使受激光多次能量反馈而形成激光。

自1979年，soda等提出了垂直腔面发射激光器的概念以来，面发射半导体激光器通过直接激发已可使输出波长覆盖到从深紫外到数微米红外的范围。随着 vcsel 的研究深入以及应用需求的拓展，vcsel 在光通信、环境监测、新型科学应用、消费电子领域等发挥越来越重要的作用，世界上各研究机构以及公司都对vcsel激光器展开研究，并推出了各有千秋的vcsel产品。

在光通信领域，vcsel激光器应用已经成为趋势，适用于高功率、高容量光通信的vcsel产品不断推出，而国内光通讯器件厂商则以光迅科技为代表推出了商业化产品。 

在环境监测领域，德国vertilas公司推出气体传感器用vcsel产品，具有多种波长，满足大多数常用有害气体的探测要求。

在新型科学应用领域，中科院长春光机所于2014年在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795 nm和894 nm vcsel，当时，国外只有个别实验室和公司具有制作该类原子光学传感器专用vcsel的能力。

在消费电子领域，其行业技术门槛很高，受制于关键技术壁垒，目前国内有长光华芯、华芯半导体、纵慧芯光、睿熙科技等生产出vcsel激光芯片并进行了小批量量产。

以vcsel作为核心元件的3d传感的应用走入生活。2017年9月苹果公司推出十周年纪念版新机型iphone x，其搭载的3d传感人脸识别成为业界热捧的智能手机新功能，该功能离不开3d传感器，而3d传感器的核心零部件，就是vcsel激光芯片。因此，3d传感得以快速发展，vscel起到了至关重要的作用。

iphone x中采用了vcsel芯片的3个元件：点阵投射器、接近传感器和泛光源，共使用了3颗vcsel芯片。iphone x在正面屏幕上方的“刘海”处安装了3d传感系统，包括点阵投射器、泛光源、接近传感器、红外镜头、前置镜头等。如图2所示，940 nm的vcsel芯片安装在dpc（direct plating copper，直接镀铜基板）氮化铝陶瓷基板上，此基板安装于htcc（ high-temperature co-fired ceramics，高温共烧陶瓷发热片）陶瓷基座底部；再利用组件侧方的金属连接器将主动式衍射光学元件的电极和陶瓷基板中的集成电路连接在一起；折叠光学元件位于vcsel芯片与主动衍射光学元件之间，对近红外光束进行引导传输。