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垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究进展与应用

2022-1-3 17:48| 发布者：Davis| 查看：5200| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了垂直腔面发射激光器（VCSEL）的发展历史和优势，以及其在3D传感、激光雷达、虚拟现实、医疗、军事和材料加工等领域的应用。同时还讨论了高功率VCSEL的研究进展和应用，并列举了关键词，以便更好地定位和SEO优化。

1. VCSEL的发展历史和优势

半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到广泛的应用，研究人员在边发射激光器( Edge Emitting Laser，EEL) 的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。因此，在1977年日本东京工业大学教授Klga提出了一种VCSEL的概念，并在1979年采用GaInAsP材料体系在77K温度下首次实现脉冲输出。

VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。

在这样的面发射半导体激光器结构中，光的输出端和器件底端都需要反射镜，而反射镜的高反射率对降低阈值电流密度起着非常巨大的作用。因此，人们针对高反射率的反射镜进行了各种研究，例如介质膜分布式布拉格反射镜( Distributed Bragg Reflectiors，DBR)、半导体DBR、复合反射镜以及金属膜反射镜等。

GaAs材料体系的VCSEL从1983年开始研究到1986年实现低阈值的微腔操作，这期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。到了1988年VCSELs器件采用多层SiO₂/TiO₂ 介质膜DBR首次实现了850nm的室温连续激射；然而，虽然数对介质膜DBR即可实现高反射率，但是这种结构不导电且散热性差，为了改进这一状况，1986年年首次实现了AlGaAs/GaAs DBR的VCSEL器件，由于p型AlAs/Al_0.1Ga_0.9AS DBR具有较高的势垒电阻，因此该器件只在n 侧使用半导体DBR，而另一侧反射镜采用Au/SiO₂镜面组成。

为了改进半导体DBR的势垒电阻问题，许多研究机构进行了报道，其中代表性的器件是采用高浓度Zn掺杂的AlAs层制备p型DBR；此外，为了避免DBR的高势垒电阻问题，VCSEL器件采用光泵浦方式工作，或者减少一侧DBR的层数和一个外部输出耦合镜相结合，实现连续输出。而量子阱( Quantum Wells，QWs)和量子点( Quantum Dots，QDs)结构应用于VCSEL 的有源区域时，进一步提高了VCSEL输出性能。随后，VCSEL器件的深入研究展现了其本身所具有的独特优势，实现了高功率输出、高调制速率以及高温稳定等性能。

与传统的EEL结构不同，VCSEL结构是由上下DBR、QWs、氧化孔径和上下金属电极组成，其有源区位于n型掺杂的DBR和p型掺杂的DBR之间，这种结构具有很多独特的优势：

(１) 光束质量：VCSEL的出射光是从一个圆形对称的台面中出射，输出小发散角的圆型对称光斑，通过简单的光束整形系统，就可以实现低成本高效率的耦合；

(２) 阈值低：由于VCSEL有源区的体积小，容易实现低阈值激射，甚至可以达到uA量级；

(３) 无镜面损伤：VCSEL的反射镜是外延生长的两个DBR，不存在激光腔面光学损伤问题；

(４) 稳定性和可靠性：组成VCSEL的半导体材料折射率随温度变化很小，导致器件的激射波长温漂小，具有非常宽的工作温度范围；

(５) 单纵模输出: VCSEL的谐振腔长度很短，即um量级，纵模间距较大，只在单纵模下输出，可以得到较大的弛豫振荡频率；

(６) 大尺度二维阵列：VCSEL的出光方向垂直于基底，易于实现高密度二维阵列集成的大功率输出且低成本制造的晶圆测试。

随着：VCSEL的大口径以及二维阵列和多结的开发，VCSEL的输出功率有了显著的提高。针对高功率半导体激光器在激光泵浦、医疗、军事以及材料加工等应用领域的需求日益增长。高功率VCSEL成为很重要的一个研究方向。而且近年来：VCSEL在消费市场的应用越来越广泛，包括激光雷达(LiDAR)、距离传感、自动对焦、3D传感、虹膜识别、空气和水质检测以及虚拟现实( VR) /增强现实 ( AR) / 混合现实( MR) 等等，针对高功率VCSEL的需求也越来越大。

同时，由于先进驾驶系统(AdvancedDriving Assistance Systems， ADAS)、云计算、物联网技术与5G通信技术等应用愈发成熟，信息的快速爆炸产生了对数据带宽大幅增长的需求，而VCSEL具有较大的弛豫振荡频率，可以实现高调制带宽，因此在光互连和光数据网络的应用中占据主导地位；

而能应用于光互联、3D传感、车载雷达、原子钟等领域是由于VCSEL的关键特性：稳定的高温性能和对温度变化不敏感，为满足这些应用需求，高温稳定工作、可靠性高的VCSEL近年来越来越受到关注。

2. 高功率VCSEL的研究进展与应用

在 VCSEL发展之初，主要在降低阈值、扩大输出波长范围和高速调制等方面进行研究。直到1996年才对提高VCSEL输出功率方面展开了研究。高功率VCSEL器件最早是由德国乌尔姆大学开始研制，分别制备了顶发射和底发射的980nm VCSEL单管器件，室温下连续输出功率分别达到180mW和350mW；随后，美国加州大学伯克利分校制备了940nm VCSEL单管器件，连续输出功率达到 2W，脉冲输出功率达到5W；2001年德国乌尔姆大学报道了320um口径的VCSEL单管器件，980nm波长的输出功率为0.89W，二维列阵器件达到1.55W；2005中科院长春光机所制作的500um口径VCSEL单管器件实现了室温连续输出，达到了1.95W；同年，美国普林斯顿光电公司采用金刚石散热片在直径350um器件上实现了连续输出达到3W；为了进一步提高功率，VCSEL阵列器件的开发成为人们关注的焦点，其中普林斯顿光电公司是目前最先进的，代表了高功率VCSEL的最高水平。2008年该公司在5mm×5mm的VCSEL阵列器件上实现了功率为45W的输出，如图1所示；随后，该公司设计了单元更加紧凑的VCSEL阵列，在热沉温度为 15℃下，连续输出功率达到231W，脉冲输出达到数千瓦，实现了国际最高水平。

图1：980nm 高功率VCSEL阵列

808nm波长的VCSEL首次由英国威尔士卡迪夫大学在1999年提出，但是由于GaAs材料体系对808nm波长有强烈的吸收，因此808nm波长的高功率VCSEL器件在早期一直未得到实现。直到2009年，美国普林斯顿光电公司将VCSEL芯片衬底完全去除并焊接在金刚石热沉上，在3mm×3mm芯片上集成了3000 个发光单元形成VCSEL阵列，连续输出功率超过58W；为了进一步提高功率，该公司制作出尺寸为5mm ×5mm的VCSEL面阵，连续输出功率超过120W，之后，该公司集成了多个该VCSEL面阵列实现连续输出功率超过650W；2011年，该公司使用12块2.7mm×2.7mm的VCSEL阵列实现了500W的准连续输出；随后，又将该模块的输出功率提高到1.2KW；2012年，该公司设计了VCSEL圆形阵列，峰值输出功率为810WＷ，如图 2所示；2017年，该公司又研制了峰值功率高达2.3KW的VCSEL阵列。

图2：4个串联的808nm VCSEL二维阵列

最初对1060nm VCSEL的研究主要集中在低功耗通信器件上，而1060nm波长的高功率VCSEL的开发也取得了不错的成果。2007年，美国普林斯顿光电公司研制出高温工作下的1064nm VCSEL阵列模块，连续输出功率达到40W；2014年，该公司将6 个高性能VCSEL 阵列组成模块，实现输出300W的功率。

VCSEL器件通过增加出光窗口的孔径和二维集成阵列的密度，实现了输出功率在几百毫瓦到几千瓦之间的裕度。然而，高功率VCSEL单管或阵列器件均为多横模输出，导致输出光束的光束质量很差。因此，如何实现高功率单横模激射是目前研究的一个热点。

具有大出光窗口孔径的VCSEL器件虽然能够保证高功率的输出，但这种大孔径窗口结构的注入电流分布不均匀，导致输出模式很差。通过优化p面金属电极来改变注入电流的分布，能够改变输出光的模式。2011年，长春理工大学通过在p面金属电极上采用分布式环形电极，制备了300um口径的顶发射808nm VCSEL单管器件，连续输出功率达到300mW，远场发散角半角宽度小于13°，如图3所示。

图3：分布式环形电极示意图

2012年，中科院长春光机所采用三维有限元方法分析了电极结构对有源区内电流密度分布的影响，优化p面金属电极，使注入电流均匀地分布，该机构制备的980nm VCSEL单管器件在室温下连续输出功率达到1.46W，发散角为5.4°，而8×8 VCSEL阵列输出光束的发散角为10.2°，连续输出功率达到了1.95W。

图4：微透镜集成底发射VCSEL示意图

图5：金属光栅VCSEL示意图

另一种改善光束质量的方法是在VCSEL器件刻蚀微结构。2009年，中科院长春光机所在980nm VCSEL器件的衬底上制备了直径为300um的微透镜ꎬ连续输出功率超过了180mW，远场发散角半角宽度分别为7.8°和8.4°，如图4所示；同年，该机构又制备了6×6微透镜集成的980nm VCSEL阵列，最高输出功率达到1.17W，远场发散角约6°；2012年，该机构在VCSEL表面制备金属光栅，实现输出功率为860mW，远场光束发散度被抑制到12°，如图 5所示；

图6：光子晶体VCSEL示意图

2014年，日本滨松光子学K.K.中央研究室通过在有源区沉积光子晶体结构制备了940nm VCSEL单管器件，实现了超过 1W的连续输出，而光束质量接近1，如图6所示。

为了解决高功率VCSEL光束质量差的问题，研究者又提出了垂直外腔面发射激光器。根据泵浦方式的不同，可分为光泵浦垂直外腔面发射激光器（Optically-pumped VCSEL， OP-VCSEL）和电泵浦垂直外腔面发射激光器（Electrically-pumpedVCSEL， EP-VCSEL）。

2003年，美国诺瓦卢公司研制了980nm EP-VCSEL ，实现了0.5W基模（M²≈1.0-1.2）和1W的多模（M²≈10-20）输出，如图7所示。

图7：EP-VCSEL结构示意图

2009年，美国普林斯顿光电公司公司研制出了980nm 的EP-VCSEL阵列，包含475个发光单元，基模连续和脉冲输出功率分别达到42W和155W。

对于OP-VCSEL而言，其制备技术已经比较成熟。研究人员对其散热结构和泵浦方式进行了改进，有效地提高了OP-VCSEL的输出功率。2003年，德国Osram半导体公司将OP-VCSEL芯片在衬底去除后和金刚石散热片相结合，实现了最大功率达到8W的1000nm波长输出，M²＜1.8。2006年，三星尖端技术研究所设计出底端泵浦的1060nm OP-VCSEL，模输出功率可达到7W，（M²＜1.5），最大输出功率为9.1W，如图8所示；2008年，瑞士苏黎世联邦理工学院获得960nm波长的20W的基模输出，光束质量M²=1.1；2012年，德国菲利普马尔堡大学联合报道了工作温度3℃下，OP-VCSEL激射波长为1028nm，单横模连续输出功率达到10W。

图8：底端泵浦的OP-VCSEL及芯片结构示意图

高功率VCSEL在保留前面所叙述的固有优点的基础上，能够实现更高的输出功率，使其在多个领域有望取代传统的高功率EEL，由于VCSEL的特殊结构，使其在光纤耦合方面具有天然的优势，因此，980nm和808nm VCSEL能够成为掺铒光纤放大器和Nd：YAG、Nd：YVO₄固体激光器的新型泵浦光源，同时，VCSEL的激射波长最大只有几个纳米的线宽，使色彩数量比发光二极管（LED）的色彩标准增加了30%-40%，提高了光调制的效率，并且其成本低、效率高、寿命长，这些优点使VCSEL在腔内或腔外倍频后产生三基色激光，可以作为激光显示的光源，如图9所示。目前，激光电视已经在市场上广受好评。

图9：激光显示用三基色EP-VCSEL光源

近红外照明(808-1064nm)用于摄像机系统的监视和检查，它可以拍摄高速和困难条件下的物体图片，如图10所示。由于VCSEL的光束整形高效且简单，避免了LED宽发射模式所需的复杂光学系统，使得VCSEL阵列成为一个良好的辐射源。此外，VCSEL阵列的亮度比最亮的LED高出10-100倍，可在数百米的距离进行聚焦照明，该应用中最重要的优势可能是对特定区域进行非常均匀的照明，宽高比可以根据相机的需要进行调整。虽然不同的波长都可以用于红外照明，但通常会在响应性、眼睛安全、成本和效率等方面进行权衡，例如，808nm 光源为CCD相机提供了最佳的响应率，但对于高功率光源来说，它对眼睛不安全，不能用于隐蔽的应用。976nm光源可用于基于Si或InGaAs的探测器，虽然具有较低的响应率，但可降低对眼睛的损伤，并可用于隐蔽应用。在1064nm区域，基于InGaAs的相机的响应率要好得多，它被认为是一种隐秘的波长，可以降低对眼睛的损伤。

图10：照明用大功率VCSEL

高功率VCSEL系统不仅仅是一种新型的激光光源，它们有可能重新定义工业热处理工艺，这种紧凑而坚固的系统可以很容易地集成到制造设备中，或者集成在生产线上，取代长度超过1米的熔炉。VCSEL加热系统的定向激光辐射将高红外功率光束集中到一个明确的目标区域，无需复杂的光束整形系统或扫描单元。目标上的每点都由许多单独的VCSEL辐射,以促进其均匀性和坚固性。VCSEL加热模块的功率密度足以使塑料材料高速熔化。相关的工业工艺的例子是塑料零件的成型，以及通过塑料焊接或热熔胶将零件连接起来。而VCSEL加热系统也可用于物体表面、油漆、涂料和薄膜的干燥和固化过程。

作为工业加热工艺的进一步研究领域，VCSEL技术对钢件的局部热处理正是当下研究的热点。特别是针对加热轮廓的精确空间和时间控制是有利的，例如在工件的尖锐边缘，很难用传统技术进行处理。

3. 高速VCSEL的研究进展与应用

随着计算机性能和互联网流量数据爆炸性增长，采用常规的电气互联已经不再适合。光互连（Optical Interconnect，OI）技术具有更高的带宽、更低的能耗以及更小的尺寸等优点，因此已广泛应用于数据中心和超级计算机。1996年，美国霍尼韦尔公司首次将基于VCSEL的短距离OI技术应用于数据通信。现今，VCSEL已经成为短距离OI技术的主要激光光源以及开发其他OI系统的关键组件。因此，许多研究机构对高速VCSEL产生了极大的兴趣，并进行了深入研究。目前，基于使用标准OM3、OM4或新OM5多模光纤(MMF) 的系统，850nm波长是短距离数据通信的主流，850nm高速VCSEL外延工艺较为成熟，传播损耗低(2-3dB/km)，作为短距离OI系统中的重要器件已经开始批量生产。2008年，美国菲尼萨公司制备了常规的850nm VCSEL，有源区采用非应变GaAs QW，AlGaAs作为势垒层，氧化口径为6um，在25 ℃ 时，实现了30 Gbps的调制速率，调制带宽达到了19GHz。

与GaAs QW相比，压应变InGaAs QW具有更大的微分增益，可以用于高速VCSEL。2009年，瑞典查尔莫斯科技大学（CUT）使用InGaAs量子阱和双氧化层技术实现了20GHz调制带宽、32Gbps的调制速率；2012年，CUT在室温下实现了28GHz调制带宽、44Gbps调制速率；随后，该机构又研究了光子寿命和信号传输速率之间的关系，通过优化光子寿命进一步提高了 VCSEL性能，报道了氧化口径8μm的器件在25℃下，实现了57Gbps的无误码传输和24GHz的带宽。2015年，,CUT与美国国际商业机器公司(IBM)合作，引入均衡功能，将驱动电路、退耦电容和 VCSEL集成化，在室温下将无误码数据传输速率提高到71Gbps，在90℃环境中传输速率达到50Gbps，如图11所示。

图11：集成驱动lC、VCSEL、解耦电容和电路板图片

与此同时，其他研究机构也针对850nm波长的高速VCSEL器件进行了研究。2009年，德国柏林工业大学(TUB) 报道了氧化口径为9um的器件，可以实现在室温工作条件下40Gbps 无差错数据传输；美国IBM和Finisar公司在2012年共同报道了55Gbps直接调制的光互联技术，之后，又将调制速率提高到56.1Gbps。2013年，中国台湾中央大学报道了4um氧化口径的VCSEL，在85℃工作温度下，调制带宽为22.4GHz，调制速率达到34Gbps，如图12所示，该研究机构在2015年使用氧化物浮雕结构来减少寄生效应和Zn掺杂的扩散，从而将光学孔径限制在较窄的光谱宽度并减小差分电阻，在25℃下得到了41Gbps的传输速率；2016年，伊利诺伊大学香槟分校报道了高速850nm VCSEL，展现了50Gbps无误码传输和28.2GHz的3dB调制带宽，该器件采用双氧化层结构来减小寄生效应，在n型DBR中引入二元材料AlAs层来降低热效应，显著地提高了VCSEL的调制带宽。

图12：高速VCSEL器件的剖面图和俯视图

980nm VCSEL在数据通信领域尤为重要，尤其是对于波分复用（Wavelength DivisionMultiplexing，WDM）和自由空间光通信方面。980nm高速 VCSEL通常采用应变InGaAs/ GaAs Qws作为有源区。与850nm VCSEL相比，980nmVCSEL通常具有更深的QW，即有In组分可以抑制非平衡载流子的逸出，并因此提高温度稳定性。在980mm发射的In GaAs Qw具有更大的微分增益和更低的透明载流子密度，有望实现更高的转换效率、更高的调制带宽、更低的阈值电流和更高的可靠性。由于较小的能带带隙，980 nm VCSEL的工作电压较低，这对于低压互补金属氧化物半导体驱动器是很重要的。另外，由于GaAs衬底在980nm处的透明性，所以980nm VCSEL可以设计为底部发射结构。2007年，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校制备了氧化口径为3μm的980nm VCSEL，在4.4mA电流下实现了35Gbps的无误码传输，工作温度为20℃。该器件在DBR中采用了锥型氧化孔来减少光损耗，利用多层氧化层以降低电容，并且在上DBR中优化了p掺杂分布来降低电阻，从而产生大于20GHz时最大为3dB的调制带宽6。2011年，德国TUB通过缩短腔长到半波长和调整DBR中的掺杂等方法，在室温下实现了44Cbps的无误码传输60。2014年，该机构制备了λ/2厚的光腔980 nm VCSEL，实现了23.9GHz的3dB调制带宽，并在室温下以50Gbps的速率实现了无误码传输。20l7年，德国TUB报告了简单的VCSEL，该VCSEL采用简化的外延层设计，没有复杂的氧化层结构，在光腔的n-DBR和p-DBR侧都有一个半波长腔和单层氧化层，用于限制光场和载流子，实现了具有31-34GHz的3dB小信号调制带宽23。2018年，德国TUB报道了3μm小口径980m VCSEL，,在25℃工作条件下，创造了35.5GHz的带宽新记录。

对于1100nm波长的VCSEL而言，它们的能带隙甚至更小，因此其工作电压比980nmVCSEL的低。但是与以较短波长发射的VCSEL相比，1100nm VCSEL通常具有较高的自由载流子损耗，目前对这个波段的报道较少。2006年，日本电气公司(NEC)制备了氧化物限制VCSEL，在室温下实现了无误码的25Gbps调制速率和高达20GHz的3dB调制带宽3。随后，该公司继续对1100nm高速 VCSEL进行研究，通过使用掩埋隧道结，在室温下使用24GHz 3dB调制带宽的VCSEL完成了30Gps和40Gbps无误码传输的报道。

高速VCSEL有3个主要的带宽限制因素：寄生电容限制、阻尼限制和热效应限制。为了获得高调制带宽，则需要降低这3种限制因素。

针对寄生效应，应尽可能地降低VCSEL器件的电阻和电容来实现，采用的方法有：优化DBR中的导带和价带界面以及掺杂分、在信号焊盘下面使用低介电常数的厚聚绝缘材料作为支撑物、引入多个深氧化层以及质子注入技术56。

为了降低阻尼限制，高速VCSEL的优化方法有两种：使用应变QW以及采用半波长腔和小氧化物孔径。

热效应则通过降低VCSEL的串联电阻、采用高导热率的DBR、采用镀铜散热片等方法来缓解。

近几年报道的研究显示调制带宽基本在30GHz左右，通过优化后可以接近35GHz，这被认为是常规氧化物限制VCSEL的极限。传统的短距离光互联技术是将VCSEL和MMF通过不归零调制方案( Non-return-to-zero， NRZ)直接调制检测，适用于25Gbs光纤链路。但是随着数据流量的增长，需要开发出更高的调制速率链路，并且调制速率的提升依赖于调制方式和电子驱动设备的技术进步。想要提高调制速率，需要引入各种新的技术，包括数字信号处理( Digital signal processing，DSP)、WDM、前向纠错( Forword error correction， FFC)、脉冲整形等，还需要引入新的调制方式，例如四电平脉冲幅度调制(Four-level pulse amplitude modulation， PAM4)、无载波幅度相位调制（Carrierless amplitude/phase modulation，CAP)、离散多音频调制( Discrete multi-tone modulation，DMT)等。今后高速VCSEL的研究展开还需要向长波长方向延伸，例如1310nm波段和1550nm波段的光收发系统，这两个波段的光纤损耗远小于850m处的损耗，可以将通信距离延伸至20km以上。但是，在该工作波段VCSEL芯片外延生长有较大难度，因此，对于长波波段高速VCSEL还没有广泛应用于光互联。

4. 高温工作VCSEL的研究进展与应用

随着 VCSEL应用的市场需求日益多样化，许多应用领域需要VCSEL器件在高温环境下工作。

这就需要 VCSEL具有稳定的高温性能，尤其是在芯片级原子钟( Chip scaleatomic clock，CSAC)上的应用。CSAC均采用 VCSEL作为光源器件，需要VCSEL产生激光的阈值电流低，可以在芯片物理系统的高温环境(80-90℃)下稳定工作。

早在2000年，美国海军实验室及国家标准和科技学会就报道了运用 VCSEL制作的原子钟,如图13所示。

图13：用VCSEL制作芯片级原子钟示意图

为了进一步开发CSAC，各个研究机构针对高温稳定的 VCSEL器件进行了积极的研究。2003年，德国Ulm大学通过在VCSEL表面刻蚀椭圆状的浮雕，制备岀了能在85℃高温环境下工作的单模单偏振的VCSEL器件。随后，德国Ulm大学利用表面倒光栅浮雕制作了850mm VCSEL，其在90℃高温下的边模抑制比(Side-mode suppression ratio，SMSR)大于30dB正交偏振比（Orthogonalpolarization suppression ratio，OPSR)大于20dB，且其出光功率大于1mW。2006年，美国桑迪亚( Sandia)国家实验室、迅腾公司和查尔斯·斯塔克·德拉普尔实验室联合通过刻蚀表面光栅，研制出了在1mA的注入电流下实现SMSR>35dB的高性能VCSEL，其高温下的输出功率超过1mW。隔年，美国桑迪亚国家实验室改进了850mm VCSEL的表面光栅，控制偏振特性使其OPSR>15dB，且在85℃高温下仍能保持单偏振工作。2008年，德国Ulm大学提出了适用于Cs原子钟的895nm VCSEL器件，在80℃下SMSR接近30dB，OPSR接近40dBs。2013年，瑞士纳沙泰尔大学研制了用于原子相干布居俘获原理( Coherentpopulation trappin，CPT)的微型Cs原子钟的894.6 nm VCSEL。2015年，美国普林斯顿光电公司开发了3种适用于原子钟的单频VCSEL，激射波长分别为780nm、795nm和850nm,，单频输出功率达到100mW。2019年，英国CST公司研制了专门为基于CPT的原子钟定制的892 nm VCSEL，SMSR超过30dB，OPSR超过15dB，甚至在70℃的高温下仍然表现出优越的性能。

另一方面，随着自主驾驶、移动互联网、云计算和物联网的不断发展，所需传输数据量与日俱增,这导致了能够支持更大容量的短距离OI技术得到迅猛发展。由于空气中巨大的传播损耗和色散，运用在OI系统上的高速VCSEL必须尽可能放置在集成电路(Integrated circuit， IC)上。然而，IC在高速运行过程中产生的热量会导致 VCSEL器件的工作环境温度升高，从而影响其高速运行性能。

为了保持VCSEL在高温环境下的高速性能，各个研究机构展开了研究。2005年，美国E20公司采用 AlGaInAs材料体系，研制出工作温度85℃下1.3μm波段连续波输出为0.6mW的VCSEL。该器件在温度高达119℃下仍能单模连续输出，高速调制数据率高达10Gb；2007年，瑞典皇家理工学院研制出采用表面浮雕高应变 InGaAs量子阱的1.28μm VCSEL，在25℃时

调制带宽为8GHz，单模功率为1.2mW；85℃时调制带宽为6GHz，单模功率为0.6mW。2010年，日本NEC公司采用应变补偿的 InGaAs/GaAsP QWs制备了1.1μm VCSEL，在100℃高温下实现了25Gbps无误码连续数据传输。2014年,德国TUB制备了980nm VCSEL，在25-85℃下，实现了38Gbps无误码数据传输。2015年，美国沃森研究中心报道了一种能够在30-90℃下NRZ调制的传输速率达到50Gbps的850nmVCSEL。2015年，中国台湾NCU采用波长失谐技术与表面浮雕相结合，提高了温度稳定性。该器件在85℃的工作温度下调制速率为40Gbps，最大调制带宽达到27GHz。随后，该机构又展示了一种不对称的VCSEL腔结构，在85℃的工作温度下，仍能展示优越的速度和输出功率性能。2017年，德国TUB调整 VCSEL的镜面反射率，在25-75℃的宽温度范围内，实现了50Gps无误码的连续数据传输。2019年，德国Ⅵ有限公司报道了单模850 nm VCSEL在无信号处理的情况下，实现了60Gbps无误码的数据传输。同年，北京工业大学采用高热导率的AlAs材料优化n型DBR反射镜，制作了氧化限制顶发射 VCSEL，在0-70℃的温度下仍能满足25Gps工作要求。

稳定的高温性能和对温度变化的不敏感是VCSEL器件在高温环境下工作的关键因素。CSAC和OI系统所应用的光源是高温工作VCSEL器件最具有代表性的应用方向。一般情况下， VCSEL的性能在高温下会严重退化，导致阈值电流增大，斜率效率降低，并且谐振载流子光子相互作用的本征阻尼也会影响 VCSEL的调制速度。而增益-腔模失配型的VCSEL器件结构设计是针对高温环境釆取的主要手段。新材料和新技术的引入将进一步提高VCSEL器件在高温环境下的输出性能。

5. VCSEL的新应用

伴随着VCSEL器件性能的不断提高，VCSEL已经得到了市场的广泛认可，其应用领域也呈爆炸式增长。到2010年， VCSEL的应用领域从数据通信开始，接着是传感器、打印机和电脑鼠标。此后，虽然数据通信和传感的市场规模稳步增长，并有望进一步上升，占领VCSEL及其相关市场的主体；但是，VCSE在新的应用领域却有着更广泛的应用，如红外照明、泵浦光源和工业加热。近年来，VCSEL在3D传感、Li-DAR、VR、AR技术等领域得到了应用和发展，并且已经拓展到物联网的各个领域，如图14所示。

图14：VCSEL应用

近几年，消费者市场对用于照明和传感的VCSEL的兴趣日益浓厚，尤其是用于3D传感和3D图像捕捉。对于这些应用，通常感兴趣的波长范围是830-950mm。上述应用都是基于飞行时间(Time-of flight， ToF)和连续/准连续结构光相结合的深度传感系统。而这些应用所采用的VCSELs光源具有较窄的频谱及对低温的依赖，使得使用更窄的滤波器成为可能，因此具有更好的信噪比性能。

自iPhone X脸部辨识启动3D传感应用后市场对3D传感产生了巨大的兴趣。目前，智能手机的3D传感解决方案包括结构光和ToF法，采用VCSEL阵列光源在脸部投射数万个红外光的光点，经过红外摄像头再接收从脸部反射回来的红外光线，以创建3D人脸模型。2017年上市的智能手机iPhone X采用超过500像素的VCSEL，其峰值功率为3W。2018年，德国欧司朗公司在脸部识别领域开发了尺寸仅为1.9mm×2.2mm×0.85mm的940 nm VCSEL阵列，输出功率达到300mW，照明角度为65°×78°。面部识别是当今3D传感的主要应用，但不是唯一的应用。

3D传感技术在汽车领域也变得越来越重要，无论是在车外还是车内。在户外，正在研究的LiDAR就是一种固态的3D激光扫描系统，用于自动驾驶汽车探测车辆周围的物体并绘制它们的距离。尤其是基于ToF深度传感的 Flash LiDAR，在汽车领域将成为未来的发展趋势。Flash LiDAR系统结合了一个探测器阵列，其每个像素都测量视场部分的返回时间，以便提供距离信息。用于该应用的 VCSEL阵列必须支持具有窄脉冲宽度和极低占空比的脉冲操作，其峰值功率需要达到数十瓦甚至数百瓦，以确保足够大的安全探测距离，同时确保眼睛安全。

另外，对于应用其他领域的LiDAR的ToF传感器件，如发射器、接收器和驱动器，仍需要简化结构、降低成本和减小尺寸，并提高其输出功率和灵敏度。

此外，近红外“智能照明系统”在提高成像传感器的性能和效用方面越来越受欢迎。该系统是底反射的 VCSEL器件与集成的微透镜进行结合，不仅提供最佳的照明模式，而且可根据该系统的反馈信息，主动跟踪成像系统感兴趣的区域或对象。整体的照明模式是通过将激光阵列细分为若干子阵列来实现的。每个子阵列都有一个微透镜组合，而这些子阵列的偏移量计算为从子阵列中的 VCSEL器件提供的照明场。每个子阵列将通过安装子独立寻址系统，来控制其开关，并且输出强度由系统处理器控制。每个子阵列都是照明成像系统整体视场的一部分。子阵列可以组合起来照明系统视场的较大部分，包括在需要时打开所有子阵列，或者从大视场中对感兴趣区域进行初始识别。采用“智能照明系统”的3D摄像头将是ⅤCSEL下一个有吸引力的应用。

从2019年开始，汽车上的3D摄像头系统将成为车舱内驾驶员监控系统，可应用于汽车内部监控、手机识别、ADAS等。

由于 VCSEL在新应用领域的需求不断增长，市场有望实现实质性的增长。消费电子产品、汽车和数据通信领域的最新技术的进步，将推动 VCSEL市场的增长，以满足对先进产品不断增长的需求。

在预测期内，多模式输出的VCSEL (高速、高功率)预计将占据VCSEL的大部分市场份额。由于许多公司，如中国电信、美国 apple、欧洲的Interxion等，在其数据中心的全球扩张上进行了大量投资，用于短距离的高速率数据传输的高速ⅤCSEL的需求预计将在预测期间以显著速度增长。同样，消费电子产品中3D传感的集成和激光雷达系统中高功率VCSEL的使用预计将在预测期内推动VCSEL的市场。