激光器的定義與分類

激光器是一種能夠產(chǎn)生高度單色、相干、方向性強(qiáng)的光束的設(shè)備。其核心原理是基于電激勵源，通過半導(dǎo)體材料的增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電能到光能的轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體激光芯片，作為激光器產(chǎn)業(yè)鏈上游的關(guān)鍵組件，其性能直接決定了激光設(shè)備輸出光束的質(zhì)量和功率。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，激光器的上游包括半導(dǎo)體原材料、高端裝備及生產(chǎn)輔料，這些原材料和裝備用于制造半導(dǎo)體芯片、光電器件、光學(xué)元件及模組等。

中游環(huán)節(jié)則涵蓋了利用上游產(chǎn)品制造的各類激光器，包括直接半導(dǎo)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(jù)其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域被進(jìn)一步分類。

下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于工業(yè)加工、醫(yī)療、光通信、科研實(shí)驗(yàn)等。

在半導(dǎo)體激光器眾多類型中，垂直腔面發(fā)射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL）以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用優(yōu)勢脫穎而出。

盡管在70年代就有了VCSEL的概念，但當(dāng)時主要停留在學(xué)術(shù)研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。到了90年代，VCSEL在短波長領(lǐng)域的研究取得了突破，特別是在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，初創(chuàng)公司開始推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，尤其是在短距離光纖通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

然而，2000年至2017年期間，VCSEL技術(shù)進(jìn)展相對緩慢，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也沒有顯著擴(kuò)展，投資熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域，學(xué)校的研發(fā)重點(diǎn)也有所轉(zhuǎn)移。直到近幾年，隨著蘋果公司在iPhone中的應(yīng)用，VCSEL在消費(fèi)電子領(lǐng)域看到了新的機(jī)會，并且?guī)恿思夹g(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步。

如今，VCSEL因其閾值電流低、工作波長穩(wěn)定、光束質(zhì)量好等特性，在光通信、激光顯示、光存儲、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在傳感領(lǐng)域，940nm波長的VCSEL發(fā)揮了重要作用。而隨著ChatGPT等大規(guī)模人工智能應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域?qū)CSEL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(tǒng)及并行光互連系統(tǒng)中也占據(jù)重要地位，而808nm波長的VCSEL在醫(yī)美行業(yè)的應(yīng)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(fā)光化合物半導(dǎo)體，其發(fā)光原理與其他半導(dǎo)體激光器相似，通過外加能量激發(fā)電子躍遷，并通過諧振腔實(shí)現(xiàn)共振放大，形成激光。

邊緣發(fā)射激光器（EdgeEmittingLaser，EEL）由于其發(fā)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(yè)加工等對功率要求較高的場景。但EEL結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造過程較為精細(xì)，成本相對較高，同時其激光光束的質(zhì)量不如VCSEL穩(wěn)定。

相比之下，VCSEL具有獨(dú)特的垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低閾值電流和高光束質(zhì)量，在短距離光通信、消費(fèi)電子以及3D傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)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(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于光通信、光互連、光存儲等領(lǐng)域。可以通過標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，成本低且效率高。同時，VCSEL還能實(shí)現(xiàn)多模發(fā)射，適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。

VCSEL激光器

VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器。基本結(jié)構(gòu)是一個“三明治”結(jié)構(gòu)，由上下兩個DBR反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個DBR反射鏡與有源區(qū)構(gòu)成諧振腔。

有源區(qū)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(shù)。高反射率的DBR由多層介質(zhì)薄膜組組成，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)的MOCVD(metalorganicchemicalvapordeposition)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，即外延生長過程；一部分是實(shí)現(xiàn)后端各種結(jié)構(gòu)和需求的晶圓工藝，包括形成圖形化掩膜、光刻，電極蒸發(fā)沉積及剝離，濕法臺面蝕刻，側(cè)向濕法氧化，BCB填充等。

VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)其發(fā)射波長的不同而多樣化。在400nm的紫外波段，應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、抬頭顯示（HUD）以及汽車激光照明。

商業(yè)常見的可見光VCSEL波長通常在可見光范圍內(nèi)，波長范圍通常在400nm~700nm之間，它們在技術(shù)上更為成熟，應(yīng)用也更為廣泛，通常用于數(shù)據(jù)通信、傳感和照明等領(lǐng)域，例如智能手機(jī)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(yīng)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(yè)傳感器。

780至1400nm的近紅外波段是VCSEL應(yīng)用最為豐富的區(qū)域，涵蓋了光通信、計算機(jī)鼠標(biāo)、3D成像、工業(yè)加熱、激光雷達(dá)（LiDAR）、脈搏血氧儀和原子鐘等眾多領(lǐng)域。

1400至3000nm的短波紅外（SWIR）波段雖然應(yīng)用較少，但在環(huán)境傳感（TDLS）和光通信領(lǐng)域發(fā)揮著作用，同時在硅光子學(xué)和3D成像方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。

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審核編輯 黃宇