垂直腔表面發射激光器

vcsel 主要由三部分組成 (見圖1)，即激光工作物質、泵浦源和光學諧振腔。工作物質是發出激光的物質，但不是任何時刻都能發出激光，必須通過泵浦源對其進行激勵，形成粒子數反轉，發出激光，但這樣得到的激光壽命很短，強度也不會太高，並且光波模式多，方向性很差。所以，還必須經過頂部反射鏡(top mirror)和底部反射鏡 ( bottom mirror)組成的諧振腔，在激光腔(laser cavity)內放大與振盪，並由頂部反射鏡(top mirror)輸出，而且輸 出的光線只集中在中間不帶有氧化層(ox ide layers)的部分輸 出。這樣就形成了垂直腔面的激光發射，從而得到穩定．持續、有一定功率的高質量激光。

垂直腔面發射激光器(vertical—cavitysurface—emittinglaser，簡稱vcsel)及其陣列是一種新型半導體激光器，它是光子學器件在集成化方面的重大突破。vcsel與常規的側向出光的端面發射激光器在結構上有着很大的不同。端面發射激光器的出射光垂直於芯片的解理平面；與此相反，vcsel的發光束垂直於芯片表面(見圖2)。這種光腔取向的不同導致vcsel的性能大大優於常規的端面發射激光器。 　這種性能獨特的 v c s e l易於實現二維平面列陣， 而端面發射激光器由於是側面出光而難以實現二維列陣。小發散角和園形對稱的遠、近場分佈，使其與光纖的耦合效率大大提高，現已證實與多模光纖的耦合效率大於9 0 % ； 而端面發射激光器由於發散角大且光束的空間分佈是非對稱的，因此，很難提高其耦合效率。由於 v c s e l的光腔長度極短，導致縱模間距拉大，可在較寬的温度範圍內得到單縱模工作。動態調製頻率高，腔體積減小使得其自發輻射因子較普通端面發射激光器高几個數量級，這導致許多物理特性大為改善。如能實現極低閾值甚至無閾值激射，可大大降低器件功耗和熱能耗。由於從表面出光無須像常規端面發射激光器那樣必須在外延片解理封裝後才能測試，它可以實現“在片”測試，這導致工藝簡化，大大降低製作成本。此外，其工藝與平面硅工藝兼容，便於與電子器件實現光電子集成。

(1)低發敞之圓形雷射光束，易與光纖耦合； 　(2)具有快速調變功能，利於高速光纖網路傳輸； 　(3)元件制技術-jsiic制類似，適於：產品 　(4)在元件尚未切割及封裝前，整個晶片可用water—leveltesting做每個晶粒特性檢測，減低大量生產成本； 　(5)可做成ld或2dlaserarrays，利於串接或並列式光纖傳輸。

vcsel不僅廣泛應用於條形碼掃描器，而且可廣泛應用於電信開關、數據通訊網絡、自由空間數據傳輸、光存儲、激光打印機、dvd播放器、安保光屏障、測量設備、光電控制、流體及氣體監測、熒光治療、光復印和熒光檢測、眼科學等等。

多重反應區域設計（aka bipolar cascade vcsels）。允許回饋時不同效能量值之間的差異超過100%。 　通道相接vcsel：利用通道相接（n+p+），一個對電子有利的n-n+p+-p-i-n結構就可以被建立，且可以影響其他結構的分子。（e.g. in the form of a buried tunnel junction (btj)）. 　可利用機械式（mems）調整鏡面來廣泛的調整vcsel。 　"芯片接合"或"芯片融合"vcsel：利用兩種不同的半導體材料可以製造出不同性質的底層。 　monolithically光學幫浦vcsel：兩個相疊合的vcsel，其中一個利用光學來對另一個作幫浦。 　縱向的vcsel整合監測二極管：一個光二極管與vcsel的背面鏡子做整合。 　橫向的vcsel整合監測二極管：利用適當的vcsel芯片石刻法，一個發光二極管就可以被製造用來測量鄰近vcsel的發光強度。 　具有外部共振腔的vcsel，參照vecsel或是盤雷射半導體disk laser。vecsel是傳統雷射二極管的光學幫浦。這樣的設置使裝置有更廣泛的區域可被幫浦，也因此有更多的能量可被吸收，大約30w左右。外部共振腔也允許了intracavity技術，如頻率倍增、單頻操作和femtosecond pulse modelocking。 　垂直共振腔半導體光學擴大器vcsoa。與震盪器不同，這個裝置使擴大器更優化。因為vosoa必須在限制下工作，故會要求減少鏡子的反射以達到減少回饋的作用。為了使訊號增至最大，這些裝置會包含大量的量子井（光學幫浦裝置已被證實有21-28個量子井），導致訊號的增加量值比典型的vcsel來的大（約5%左右）。這裝置的運作於窄線寬的擴大器（約十幾個ghz），且可能可以有增強濾光器的效果。