激光LD/VCSEL前景无限，你真的明白为何激光要登上大舞台

ED，边射型与面射型激光二极管LD三种，图七为三种发器件的构造与原理，图七（a）的LED除了可以用于照明与显示以外，红外光LED也是早期常用的光通信末端器件，制造简单与价格比激光便宜是LED的优势。

图七（c）是VCSEL的结构图，VCSEL是垂直共振腔面射型激光（Vertical－Cavity Surface－Emitting Laser）的简称，是一种半导体激光，其发光垂直于顶面射出， VCSEL芯片相比边射型激光二极管，工艺比较简单，如图七（b）所示，VCSEL与激光由边缘射出的边射型激光二极管有所不同。

图七 LED，边射型激光LD与面射型激光VCSEL三种发光器件的结构示意图

面射型激光二极管VCSEL与LED工艺很相近，但是两个特殊工艺与LED区别较大，一个是DBR反射层形成共振腔镜面的工艺技术，另一个就是限制电流的氧化技术。

DBR反射镜技术

典型的VCSEL结构如图九所示，其发光区由多量子阱组成，发光区上下两边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，相邻层之间的折射率差使每组迭层的Bragg波长附近的反射率达到极高（＞99％）的水平，需要制作的高反射率反射镜的对数依据每对层的折射率而定，典型的量子阱数为1至4个，它们被置于共振腔驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进行来回反射与震荡。出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一个取值更大一些。

图九 VCSEL的结构示意图电流限制技术

为了达到比LED更低的功耗，限制VCSEL中的电流，达到低闸值电流，可以达到器件低电流，高效率的目的。

如图十所示，有三种主要的方法来限制VCSEL中的电流，依照其特性分成三种：掩埋隧道结VCSEL，离子植入VCSEL和氧化型VCSEL。

图十（a）为第一种结构，掩埋隧道结VCSEL由于结构复杂，而且需要使用分子束外延MBE制造，量产困难，目前仅止于学术研究。在上世纪90年代前期，电子通讯公司较倾向于使用离子植入的VCSEL。如图十（b）所示，通常使用氢离子H＋植入VCSEL结构中，除了共振腔以外，其它区域用离子植入破坏共振腔周围的晶格结构，使电流被限制，缺点是光限制效果不好。所以上世纪90年代中期以后，这些公司们纷纷进而使用氧化型VCSEL的技术。如图十（c）所示，氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周围材料的氧化反应来限制电流，因此在氧化型VCSEL中，电流的路径就会被氧化共振腔所限制。

图十 三种不同的限制VCSEL电流的技术与结构示意图

目前业界主流技术已经大部分转至氧化型VCSEL结构器件，但是也产生了生产上的困难。要将AlAs砷化铝氧化成Al2O3氧化层的氧化率与铝的含量有非常大的关系。只要铝的含量有些微的变化，就会改变其氧化率而导致共振腔的规格会过大或过小于标准规格。

不过这个困难在这次论坛有了让人雀跃的好消息，法国的AET Technology公司设计了一台可以精密控制氧化速率的设备，适用于六寸芯片量产，精密控制氧化过程可以省去过去工程师用试错修正来调试参数，让VCSEL在批量生产良率跨入了一个里程碑。

为什么说面射型激光商机无限？

由于VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、低闸值电流、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，VCSEL可以用来在光纤网络中高速传输数据。

其相比传统电缆系统可以以更快的速度传输更大的数据量。速度达到每秒40G，是这一领域美国目前的最高速度纪录。由于其体积很小，这种VCSEL装置还拥有很高的能源效率，相比传统的电线要节能100倍。但与此同时其传输数据的精确性也非常高。

目前VCSEL以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用，因此VCSEL已经是大数据中心的互联最重要的传输器件。

同理未来物联网（IOT）、智慧屋（Smart House）的数据中心传输（Data Center Comm．）与感应端监控，VCSEL会是主角。而将来需要高速传输的 HDMI 、 HD TV、 USB 3．1 Type C 10G以上、Optical –Modem都需要VCSEL。

甚至虚拟实境VR、虚拟键盘VCSEL都会占据一席之地。

图十一 大数据中心与云计算数据库

未来需要大量的数据传输，这里是google与face book的big data center

未来VCSEL的其它应用：传感器与数据传输是VCSEL的最大应用，如表一所示，VCSEL相比LED有更优越