垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，又名垂直共振腔面射型激光，下文简称“VCSEL”），是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

一、VCSEL的历史。

六十多年前的5月（1960年5月），位于美国加州马里布的休斯研究实验室（Hughes Research Laboratories）的物理学家Theodore H.Maiman，成功利用合成红宝石与能突然爆发出强光的螺旋形闪光管组建了世界上第一台固态激光器。自激光器诞生至今这六十多年来，激光技术的发展历程中跨越了诸多里程碑，VCSEL无疑是其中最闪亮的新星之一。

虽然早在1962年就有人提出了制造垂直腔二极管激光器的建议，但直至1977年，才由日本东京工业大学的Kenichi Iga教授首次提出了制造VCSEL的设想。Kenichi Iga教授后于1979年使用液相外延技术（LPE）首次制备了InGaAs/InP材料的VCSEL；由于其具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点而被广泛应用。

图一：GaInAsP/InP VCSEL截面示意图

VCSEL的发展主要经历了两个阶段：

第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末，VCSEL的蛮荒发展阶段。

在这个阶段各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL凭借其诸多优点而胜出。1982年，便有Hajime Okuda等人尝试利用掩埋异质结（buried heterostructure）结构，来降低阈值电流。

1989年，Jack Jewell在美国贝尔实验室实现了在单颗芯片上集成超过一百万个VCSEL，这是1980年至1984年间Jack Jewell在Hyatt Gibbs博士指导下完成的博士研究成果。在该研究中，Jack Jewell利用砷化镓（GaAs）的非线性光学特性制造出了用于光学计算机的全光逻辑门。

1994年，Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻层Al氧化物的方式，来对电流进行进一步的限制。利用这种结构，阈值电流可以降低到225uA。而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构的原型。

为了降低阈值电流，就需要不断减小有源区体积。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积，可以发现，VCSEL的V=0.06um3，条状激光器依然在V=60um3，这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别，而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别。

图二：首个氧化物限制型VCSEL

第二阶段：VCSEL的逐渐发展成熟阶段及优化阶段

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点，这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中。1996年，K.L.Lear等人在前人的基础上经过优化，报道了3dB调制带宽达到16.3GHz的波长970nm氧化物限制型VCSEL。

由于高的工作电流可以带来更好的调制特性，但同时也会相应的增加功耗，进而带来温度的上升，会对可靠性带来影响。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式，在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽，相应的功耗只有1.2mW，带宽/功耗比只有12.5GHz/mW，是当时最先进的水平。

利用相同的VCSEL结构，同年，Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系，并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时，可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz，同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

图三：深氧化层氧化物限制型VCSEL

二、VCSEL的未来

光通信领域对VCSEL调制速率的需求不断提升，更多挑战随之而来。而在2017年，随着苹果将搭载VCSEL的Face ID引入智能手机后，中高端智能手机纷纷推出人脸识别系统，使得VCSEL应用受到市场高度重视。在中短程激光雷达所需的光源中，VCSEL也可与边缘发射激光器（EEL）一争高下。同时VCSEL应用还逐渐延伸至5G通讯、人工智能（AI）系统与智慧家电、汽车自动驾驶等领域。这些新兴应用促成了如今VCSEL产业的繁荣景象。

1、用于高速光纤通信

1300nm和1550nm长波长化VCSEL在Gb/s速率光纤通信中有广阔的市场前景，由于1300nm和1550nm波长VCSEL除具有处于光纤低色散和低衰减窗口的优点外，还具有在中长距离高速传输方面的优越性；

2、用于数字通信

VCSEL在短距离、大容量并行数据链路将有巨大应用市场。低成本和高性能的VCSEL广泛应用于局域网中节点之间的数据传输。随着局域网带宽需求的提高，需有G比特以太网或高速局域网协议，VCSEL可作为低成本多模光发射机；

3、用于光互连

1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。VCSEL在光信息处理、光互连、光交换、光计算、神经网络等领域中可充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势，具有广阔的应用前景；

4、用于光存储

VCSEL可用作光存储读/写光源。VCSEL用作CD光盘的光源可以提高存储密度，光盘读出系统还可配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光。美国加利福尼亚大学已演示一种采用带有内腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盘读出头。由VCSEL发出的CW光束聚焦在光盘上，而经扩展的反射光束直接进入VCSEL光腔。在反向偏置下，内腔吸收器的功能是作为光电探测器，其产生的光生电流提供一种精确的发自光盘的光反馈变量。

此外，VCSEL还应用在新型照明器、显示器、激光打印机等。

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。相信随着VCSEL的不断发展，它将会获得越来越多的潜在应用。