什么是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）？结构，工作原理以及优缺点

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是一类结构独特的半导体激光器。与传统的边缘发射激光器不同，VCSEL 垂直于半导体芯片表面发射光线，从而产生更高效、更精确的光束。常见的 VCSEL 波长包括 850 nm、1310 nm 和 1550 nm 等，适用于数据通信、传感和光互连等各种应用。它们能够发射光功率，范围从几毫瓦到几瓦不等，具体取决于其设计和预期应用。

它们通常使用半导体材料制造，最常见的是砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）。这些材料为高效发光和集成到半导体器件中提供了有利的特性。VCSEL 内有多个量子阱 (MQW)，通过将电子和空穴限制在离散的能态中来增强光功率的产生和控制，从而实现高效的光发射。VCSEL 效率很高，适用于光数据通信和三维传感等应用。

VCSEL 的结构

上图展示了 VCSEL 的典型结构。该结构首先是一个半导体衬底，通常由砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）等材料组成，为其提供坚实的基础。在基板的正上方，是第一个关键部件，即下部的分布式布拉格反射器（DBR）。DBR 由多层具有不同折射率的交替半导体材料组成，旨在对特定波长的光线进行强烈反射。位于 DBR 上方的是有源区，它是 VCSEL 的重要组成部分。该区域通常包含称为量子阱的超薄层，每个量子阱只有几纳米厚。激光通过量子阱中电子和空穴的重组有效地产生。

环绕有源区的是额外的层，通常充当电导体，促进电流注入并作为上部 DBR。上部 DBR 与底部 DBR 一样，可确保发射光留在腔内，从而实现激光的高效率和精确波长控制。总之，这种结构合理的 VCSEL 设计产生了一种可靠的多功能激光源，应用范围从光通信到传感技术。

VCSEL 的工作原理

垂直腔表面发射激光器通过向半导体结构中注入电流来发挥作用。电流会导致电子和空穴在半导体有源区内重新结合，并在此过程中释放出光子。这些光子被限制在由高反射分布式布拉格反射器（DBR）形成的激光腔内，并在其中发生共振和强度放大。结果，相干激光通过其中一个分布式布拉格反射器垂直于半导体表面发射出来。发射光的功率可通过调节注入电流来控制。

VCSEL 的优点

效率高： VCSEL 的效率很高，可将大部分输入电能转化为相干光。
光束质量： 发出的光具有极佳的光束质量，适用于要求精确和控制的应用，如光学数据通信。
波长精度： VCSEL 以精确的波长发光，因此非常适合光网络中的波分复用（WDM）。
体积小巧： VCSEL 设计紧凑，可密集集成到光子设备和消费电子产品中。

VCSEL 的应用

VCSEL 广泛应用于光纤网络和数据中心等光通信系统中的高速数据传输。它们为智能手机和游戏机等设备中的深度感应技术提供动力，实现面部识别和增强现实应用。自动驾驶汽车和机器人依靠基于 VCSEL 的激光雷达系统实现精确的距离和物体探测。它们还用于激光打印机和光学扫描仪，以实现高分辨率成像和精确的文件复制。VCSEL 还可用于医疗仪器，包括内窥镜检查、生物医学成像和激光治疗。