激光器的定義與分類

激光器是一種能夠產生高度單色、相干、方向性強的光束的設備。其核心原理是基于電激勵源，通過半導體材料的增益介質實現電能到光能的轉換。半導體激光芯片，作為激光器產業鏈上游的關鍵組件，其性能直接決定了激光設備輸出光束的質量和功率。

從產業鏈角度來看，激光器的上游包括半導體原材料、高端裝備及生產輔料，這些原材料和裝備用于制造半導體芯片、光電器件、光學元件及模組等。

中游環節則涵蓋了利用上游產品制造的各類激光器，包括直接半導體激光器、二氧化碳激光器、固體激光器和光纖激光器等。這些激光器根據其工作原理和應用領域被進一步分類。

下游應用領域廣泛，包括但不限于工業加工、醫療、光通信、科研實驗等。

在半導體激光器眾多類型中，垂直腔面發射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL）以其獨特的結構和應用優勢脫穎而出。

盡管在70年代就有了VCSEL的概念，但當時主要停留在學術研究階段，尚未實現產業化。到了90年代，VCSEL在短波長領域的研究取得了突破，特別是在數據通信領域，初創公司開始推動其產業化發展，尤其是在短距離光纖通信系統中得到了應用。

然而，2000年至2017年期間，VCSEL技術進展相對緩慢，產業應用也沒有顯著擴展，投資熱點逐漸轉向其他領域，學校的研發重點也有所轉移。直到近幾年，隨著蘋果公司在iPhone中的應用，VCSEL在消費電子領域看到了新的機會，并且帶動了技術的進一步進步。

如今，VCSEL因其閾值電流低、工作波長穩定、光束質量好等特性，在光通信、激光顯示、光存儲、消費電子等領域得到了廣泛應用。尤其是在傳感領域，940nm波長的VCSEL發揮了重要作用。而隨著ChatGPT等大規模人工智能應用的興起，數據通信領域對VCSEL的需求大幅增長，特別是在短距離通信方面。

此外，1310nm波長的VCSEL在高速長距離光纖通信、光識別系統及并行光互連系統中也占據重要地位，而808nm波長的VCSEL在醫美行業的應用開始受到重視。

VCSEL的原材料主要包括砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發光化合物半導體，其發光原理與其他半導體激光器相似，通過外加能量激發電子躍遷，并通過諧振腔實現共振放大，形成激光。

邊緣發射激光器（EdgeEmittingLaser，EEL）由于其發光方向與芯片表面平行，擁有較高的輸出功率，且適合用于長距離光纖通信、工業加工等對功率要求較高的場景。但EEL結構復雜，制造過程較為精細，成本相對較高，同時其激光光束的質量不如VCSEL穩定。

相比之下，VCSEL具有獨特的垂直腔面發射結構，能夠實現低閾值電流和高光束質量，在短距離光通信、消費電子以及3D傳感等應用領域中表現尤為突出。

此外，VCSEL的制造工藝相對簡單，VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優勢，廣泛應用于光通信、光互連、光存儲等領域。可以通過標準的半導體工藝進行大規模生產，成本低且效率高。同時，VCSEL還能實現多模發射，適用于高數據傳輸速率的應用。

VCSEL激光器

VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器。基本結構是一個“三明治”結構，由上下兩個DBR反射鏡和有源區這三部分組成。上下兩個DBR反射鏡與有源區構成諧振腔。

有源區由幾個量子阱組成，作為VCSEL的核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長等重要參數。高反射率的DBR由多層介質薄膜組組成，實現對光的反饋。為得到較小的閾值電流，DBR反射鏡的反射率一般在99.5%以上。

VCSEL的主要制造被分成兩個主要的部分，一部分是實現“三明治”結構的MOCVD(metalorganicchemicalvapordeposition)金屬有機物化學氣相沉積技術，即外延生長過程；一部分是實現后端各種結構和需求的晶圓工藝，包括形成圖形化掩膜、光刻，電極蒸發沉積及剝離，濕法臺面蝕刻，側向濕法氧化，BCB填充等。

VCSEL的應用領域根據其發射波長的不同而多樣化。在400nm的紫外波段，應用于增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、抬頭顯示（HUD）以及汽車激光照明。

商業常見的可見光VCSEL波長通常在可見光范圍內，波長范圍通常在400nm~700nm之間，它們在技術上更為成熟，應用也更為廣泛，通常用于數據通信、傳感和照明等領域，例如智能手機中的面部識別和光通信模塊。

對于大于700nm但小于780nm的近紅外波段，VCSEL的應用較為有限，主要包括塑料光纖通信（POF）、激光打印、脈搏血氧儀和工業傳感器。

780至1400nm的近紅外波段是VCSEL應用最為豐富的區域，涵蓋了光通信、計算機鼠標、3D成像、工業加熱、激光雷達（LiDAR）、脈搏血氧儀和原子鐘等眾多領域。

1400至3000nm的短波紅外（SWIR）波段雖然應用較少，但在環境傳感（TDLS）和光通信領域發揮著作用，同時在硅光子學和3D成像方面展現出潛在的應用前景。

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審核編輯 黃宇