半导体激光器EEL & VCSEL应用领域

激光器的定义与分类

激光器是一种能够产生高度单色、相干、方向性强的光束的设备。其核心原理是基于电激励源，通过半导体材料的增益介质实现电能到光能的转换。半导体激光芯片，作为激光器产业链上游的关键组件，其性能直接决定了激光设备输出光束的质量和功率。

从产业链角度来看，激光器的上游包括半导体原材料、高端装备及生产辅料，这些原材料和装备用于制造半导体芯片、光电器件、光学元件及模组等。

中游环节则涵盖了利用上游产品制造的各类激光器，包括直接半导体激光器、二氧化碳激光器、固体激光器和光纤激光器等。这些激光器根据其工作原理和应用领域被进一步分类。

下游应用领域广泛，包括但不限于工业加工、医疗、光通信、科研实验等。

在半导体激光器众多类型中，垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）以其独特的结构和应用优势脱颖而出。

尽管在70年代就有了VCSEL的概念，但当时主要停留在学术研究阶段，尚未实现产业化。到了90年代，VCSEL在短波长领域的研究取得了突破，特别是在数据通信领域，初创公司开始推动其产业化发展，尤其是在短距离光纤通信系统中得到了应用。

然而，2000年至2017年期间，VCSEL技术进展相对缓慢，产业应用也没有显著扩展，投资热点逐渐转向其他领域，学校的研发重点也有所转移。直到近几年，随着苹果公司在iPhone中的应用，VCSEL在消费电子领域看到了新的机会，并且带动了技术的进一步进步。

如今，VCSEL因其阈值电流低、工作波长稳定、光束质量好等特性，在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。尤其是在传感领域，940nm波长的VCSEL发挥了重要作用。而随着ChatGPT等大规模人工智能应用的兴起，数据通信领域对VCSEL的需求大幅增长，特别是在短距离通信方面。

此外，1310nm波长的VCSEL在高速长距离光纤通信、光识别系统及并行光互连系统中也占据重要地位，而808nm波长的VCSEL在医美行业的应用开始受到重视。

VCSEL的原材料主要包括砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体，其发光原理与其他半导体激光器相似，通过外加能量激发电子跃迁，并通过谐振腔实现共振放大，形成激光。

边缘发射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）由于其发光方向与芯片表面平行，拥有较高的输出功率，且适合用于长距离光纤通信、工业加工等对功率要求较高的场景。但EEL结构复杂，制造过程较为精细，成本相对较高，同时其激光光束的质量不如VCSEL稳定。

相比之下，VCSEL具有独特的垂直腔面发射结构，能够实现低阈值电流和高光束质量，在短距离光通信、消费电子以及3D传感等应用领域中表现尤为突出。

此外，VCSEL的制造工艺相对简单，VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优势，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。可以通过标准的半导体工艺进行大规模生产，成本低且效率高。同时，VCSEL还能实现多模发射，适用于高数据传输速率的应用。

VCSEL激光器

VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。基本结构是一个“三明治”结构，由上下两个 DBR 反射镜和有源区这三部分组成。上下两个 DBR 反射镜与有源区构成谐振腔。

有源区由几个量子阱组成，作为 VCSEL 的核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。高反射率的 DBR 由多层介质薄膜组组成，实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流，DBR 反射镜的反射率一般在 99.5%以上。

VCSEL的主要制造被分成两个主要的部分，一部分是实现“三明治”结构的MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)金属有机物化学气相沉积技术，即外延生长过程；一部分是实现后端各种结构和需求的晶圆工艺，包括形成图形化掩膜、光刻，电极蒸发沉积及剥离，湿法台面蚀刻，侧向湿法氧化，BCB填充等。

VCSEL的应用领域根据其发射波长的不同而多样化。在400nm的紫外波段，应用于增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、抬头显示（HUD）以及汽车激光照明。

商业常见的可见光VCSEL波长通常在可见光范围内，波长范围通常在400nm~700nm之间，它们在技术上更为成熟，应用也更为广泛，通常用于数据通信、传感和照明等领域，例如智能手机中的面部识别和光通信模块。

对于大于700nm但小于780nm的近红外波段，VCSEL的应用较为有限，主要包括塑料光纤通信（POF）、激光打印、脉搏血氧仪和工业传感器。

780至1400nm的近红外波段是VCSEL应用最为丰富的区域，涵盖了光通信、计算机鼠标、3D成像、工业加热、激光雷达（LiDAR）、脉搏血氧仪和原子钟等众多领域。

1400至3000nm的短波红外（SWIR）波段虽然应用较少，但在环境传感（TDLS）和光通信领域发挥着作用，同时在硅光子学和3D成像方面展现出潜在的应用前景。

 

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审核编辑 黄宇