垂直共振腔面射型laser（VCSEL）技术详解

 

因为苹果（Apple），许多的老技术开始找到自己的第二春，垂直共振腔面射型laser（VCSEL）是最新的一个，由于苹果iPhone X的脸部辨识应用，让这项过去多使用在通讯领域的高阶技术有了新的市场，而且火红的程度几乎与当初的电容式触控相当。

VCSEL为垂直共振之半导体laser，自1980年代末被提出，1996年被商业化，Honeywell推出VCSEL传输模组，发光及检光的原材料以砷化镓 (GaAs)、砷化镓铟(InGaAs)为主，采有机金属气相沉积法( MOCVD )制成磊晶圆。

一般面射型laser结构大致包含发光活性层、共振腔以及上下具有高反射率之布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector)；当光子于发光活性层产生后便于共振腔内来回振荡，若达居量反转(population inversion)时laser即于元件正上方形成。而VCSEL由于采取面射型，laser光呈现圆锥状，较容易与光纤进行耦合，不需额外的光学镜片。

与一般侧射型laser相比，其共振腔与光子在共振腔来回共振所需之镜面不是由制程形成之自然晶格断裂面，而是在元件结构磊晶成长时就已形成。

由于VCSEL制造属于半导体层级，且涉及光学与电子，因此***切入的业者多以光电业者居多，例如LED制造商，或者光导体的封装业者。本文则是取自飞利浦（Philips）的网站说明，对此技术做一次重点的回顾，当然飞利浦就是一家典型具备半导体与光学技术的业者。

VCSEL就是「垂直共振腔面射型laser（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」的缩写，其结构和功能如图(a)所示。VCSEL是一种半导体laser二极管，其发射垂直于表面的光（1）。发光器由多个主动层组成，厚度为纳米等级。

在这些层中，电子载体被转换成光，在主动层之上和之下，多层交替折射率形成共振镜（4）；短的laser腔需要反射镜的高反射率才能获得足够的增益，掺杂的半导体镜额外为主动层提供电触点（2）和（3）；主动区的尺寸由靠近主动层的氧化层（6）的宽度来定义。

此半导体层的结构和垂直光束允许在一个生成步骤中产生功能完整的laser光，在这个外延生成过程之后，标准的半导体晶圆处理步骤则定义了光发射区域，并为各个laser二极管提供电端子。

VCSEL的垂直结构能建立大量的laser彼此相邻并形成二维阵列。依据应用的不同，这些阵列中的VCSEL可以单独通电连接（靠着个别接触，例如用在：多通道的数据通信应用），或者并联通电。在大量laser并联的设置中，透过厚导体层（5）将电流提供给各个laser器，以向阵列提供低电阻电端子。

VCSEL阵列是由数千个微型laser器在GaAs晶圆上以半导体流程制造所组成，单个laser光器之间的典型间距在40微米的范围内，其波长在800nm和1100nm之间，最常用的是808nm，850nm和980nm，每个线宽为几纳米。

相较于红外线LED，VCSEL具有非常窄的线宽和非常正向发射的特性。其晶片从晶圆中切割并安装到载体上，而其使用的组装程序则是LED产业众所周知的步骤。

此外，VCSEL的亮度范围在传统laser和灯或LED之间，且该技术提供可扩展（scalable）的系统功率，因此高功率VCSEL系统对许多应用来说就是一个极有吸引力的解决方案。