半導(dǎo)體激光二極管可以將電壓轉(zhuǎn)換為光子。VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）是半導(dǎo)體激光器的“亞種”之一。與邊緣發(fā)射激光二極管相反，VCSEL的光從表面垂直發(fā)射，從而減少了安裝空間，并能夠讓具有數(shù)十個，數(shù)百個甚至數(shù)千個發(fā)射器的陣列集成在單個芯片上。VCSEL的圓形光束形狀能讓激光束可以實現(xiàn)高效的光纖耦合。VCSEL還具備包括諸如：在晶片上的相對低成本的生產(chǎn)，高調(diào)制速度，高光束質(zhì)量和能效等優(yōu)勢。

VCSEL從底部到頂部構(gòu)造包括：

◆高反射率（99.9％）的布拉格反射器（DBR）

◆氧化層

◆有源激光層（帶有量子膜和勢壘的量子阱）

◆另一個帶有圓形開口的氧化層，用于束成形

◆頂部部分反射（99％）的DBR。

當(dāng)施加電壓時，激光層充當(dāng)量子阱。兩個DBR層之間疊置了基于氮化鎵，砷化鎵或磷化銦的半導(dǎo)體，其中量子膜與由不同材料制成的勢壘交替出現(xiàn)。如果在施加電壓的情況下引入自由電子，則半導(dǎo)體們將被“捕獲“在量子膜中。因為層間距離極薄，以至于被激光激發(fā)的電子只能在其中水平移動。另一方面，半導(dǎo)體們可以在阻擋層中自由循環(huán)，然而如果它們穿過高能量子膜，則會促進(jìn)激射，換句話說，會在松弛過程中激發(fā)光子并激發(fā)能量。

在通信領(lǐng)域，自90年代末以來，VCSEL便必不可少?，F(xiàn)在隨著科技的發(fā)展，VCSEL不斷地被開發(fā)出新的潛力，在醫(yī)療技術(shù)、工業(yè)流程，智能手機和自動駕駛的應(yīng)用中越發(fā)常見，最近更是呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢。

從第一個商業(yè)VCSEL生產(chǎn)工廠投入使用以來，直到Finisar在2006年交付了第5,000萬個VCSEL，這個過程用了十年時間。截止十一年后的2017年，這個被II-VI集團(tuán)收購的VCSEL市場先驅(qū)者，已經(jīng)售出了3億臺商用VCSEL。

在此期間，VCSEL的性能也迅速提高。例如，在通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ蓬I(lǐng)域中，第一批VCSEL能夠在當(dāng)時調(diào)制高達(dá)1Gbps的速度，但是現(xiàn)在這個數(shù)值已經(jīng)增加到25Gbps，在演示器中甚至高達(dá)56Gbps。

懷著樂觀精神看待爆發(fā)前機

VCSEL在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的發(fā)展已超出其原始市場，在其他領(lǐng)域而言，VCSEL已經(jīng)在激光打印機，相機自動對焦系統(tǒng)和傳感器技術(shù)方面立足。但是現(xiàn)在，VCSEL的供應(yīng)商們在新的領(lǐng)域更加樂觀。在行業(yè)中，強大的組織正在通過并購而形成，例如II-IV和Finisar，TRUMPF和PhilipsPhotonics，以及AMSTechnologies當(dāng)前試圖接管歐司朗的嘗試。這是因為VCSEL技術(shù)正準(zhǔn)備征服新的大眾市場。

自2017年蘋果推出首款采用基于VCSEL的面部識別和3D傳感器的iPhone以來，新的市場動態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，現(xiàn)在越來越多的手機和消費電子設(shè)備選擇集成VCSEL增強功能。通常情況下，一臺手機里需要至少集成3個以上的VCSEL，同時，許多汽車相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域也在向VCSEL招手。通過使用時間飛行距離來測量，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在交通中引導(dǎo)高級駕駛員輔助系統(tǒng)和自動駕駛車輛，其基本技術(shù)是具有數(shù)百個甚至數(shù)千個腔的多模式VCSEL陣列。此外，汽車內(nèi)飾還可以配備其他基于VCSEL的傳感器系統(tǒng)。更加具有潛力的市場則在生物光子學(xué)和醫(yī)療技術(shù)中，VCSEL為微型脈搏血氧儀測量血液中的氧氣鋪平了道路，VCSEL可以用作FTIR光譜儀的參考激光器，并作為光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的光源。

工業(yè)生產(chǎn)中也可以看到VCSEL的身影。這是因為VCSEL陣列的功率正朝著中間的兩位數(shù)瓦特范圍發(fā)展，而且一些專家認(rèn)為千瓦范圍在將來非常具有可行性。垂直發(fā)射器的光束形狀還可以實現(xiàn)高效的光纖耦合。因此，除了VCSEL在最初的熱處理應(yīng)用（增材制造）外，我們也越來越有可能看到VCSEL應(yīng)用于工業(yè)切割/焊接/結(jié)構(gòu)化和表面處理等工藝。

究竟是什么讓VCSEL如此吸引人？

原因之一是它們的生產(chǎn)相對簡單。直徑為2英寸（5.08厘米）的晶片上最多可集成20,000個VCSEL。而質(zhì)量檢查則更為容易，檢查完整的夾心結(jié)構(gòu)是否建立在晶片上，還有觀測激光是否向上發(fā)射其垂直光即可，可以使用集成電路的標(biāo)準(zhǔn)工藝和設(shè)備自動進(jìn)行檢查。VCSEL逐層結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是：可以輕松地將兩個激光鏡[使用分布式布拉格反射器（DBR）]放置在有源半導(dǎo)體層的下方和上方。與此相反，對于邊緣發(fā)射激光二極管（EEL），制造商首先必須切割晶圓以附著鏡層。除了減少生產(chǎn)工作量之外，VCSEL還具有高能效和上述的高度對稱的圓形光束的好處，可確保有效的光纖耦合。

垂直發(fā)射器的波長和功率譜也在擴大，現(xiàn)在范圍可從2300納米的近紅外直到380納米的可見紫光。研究團(tuán)隊已經(jīng)在研究用于紫外線范圍的VCSEL。當(dāng)前，脈沖操作的功率達(dá)到中間的兩位數(shù)瓦特范圍，而VCSEL陣列模塊甚至達(dá)到三位數(shù)的功率范圍。基于VCSEL的工業(yè)加熱模塊則是一種特殊情況，它們的功率幾乎在兩位數(shù)的千瓦范圍內(nèi)?；跀?shù)以千計的同步微二極管激光器發(fā)出的近紅外光之上，功率密度超過100W/cm2，并且熱量輸入可以得到很好的控制的話，基于激光的加熱模塊可保證快速的熱處理過程和大規(guī)模加工塑料的精度。