據麥姆斯咨詢報道，六十年前的5月（1960年5月），位于美國加州馬里布的休斯研究實驗室（Hughes Research Laboratories）的物理學家Theodore H. Maiman，成功利用合成紅寶石與能突然爆發出強光的螺旋形閃光管組建了世界上第一臺固態激光器。自激光器誕生至今，已有六十年的歷史，激光技術的發展歷程中跨越了諸多里程碑，垂直腔面發射激光器（VCSEL）無疑是其中最閃亮的新星之一。

激光器誕生60周年

雖然早在1962年就有人提出了制造垂直腔二極管激光器的建議，但直至1977年，才由日本東京工業大學的Kenichi Iga教授首次提出了制造VCSEL的設想。Kenichi Iga教授后于1979年使用液相外延技術（LPE）首次制備了InGaAs/InP材料的VCSEL；由于其具有模式好、閾值低、穩定性好、壽命長、調制速率高、集成高、發散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優點而被廣泛應用。

GaInAsP/InP VCSEL截面示意圖

VCSEL是一種帶有單片激光諧振腔的半導體激光二極管，該諧振腔可沿垂直于芯片表面的方向發射光。諧振腔由兩個半導體布拉格反射器組成，中間是帶有多個量子阱的有源層。近年來已開發出多種用途的各類VCSEL，VCSEL憑借其獨特的性能在應用市場極具優勢，例如它們能夠在較高溫度下運行，而高溫可能增加災難性的小平面失效風險。

VCSEL可應用于如智能手機、光通信、計算機鼠標、氣體傳感、光學時鐘、激光泵浦及其它多種場景。Kenichi Iga教授于2013年榮獲了富蘭克林研究所頒發的“Bower獎”，和VCSEL概念、發展及其在光電子領域多種應用的“科學成就獎”。

VCSEL的發展主要經歷了兩個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，VCSEL的蠻荒發展階段。

在這個階段各個組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL憑借其諸多優點而勝出。1982年，便有Hajime Okuda等人嘗試利用掩埋異質結（buried heterostructure）結構，來降低閾值電流。

1989年，Jack Jewell在美國貝爾實驗室實現了在單顆芯片上集成超過一百萬個VCSEL，這是1980年至1984年間Jack Jewell在Hyatt Gibbs博士指導下完成的博士研究成果。在該研究中，Jack Jewell利用砷化鎵（GaAs）的非線性光學特性制造出了用于光學計算機的全光邏輯門。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結構（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進行進一步的限制。

首個氧化物限制型VCSEL

第二階段：VCSEL的逐漸發展成熟階段及優化階段

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優點，這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。1996年，K. L. Lear等人在前人的基礎上經過優化，報道了3 dB調制帶寬達到16.3 GHz的波長970 nm氧化物限制型VCSEL。

由于高的工作電流可以帶來更好的調制特性，但同時也會相應的增加功耗，進而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領域中重要的挑戰。2007年，Y-C. Chang等人采取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯阻抗的方式，在0.9 mA電流下實現的15 GHz調制帶寬，相應的功耗只有1.2 mW，帶寬/功耗比只有12.5 GHz/mW，是當時最先進的水平。

深氧化層氧化物限制型VCSEL

VCSEL的新發展、新機遇

光通信領域對VCSEL調制速率的需求不斷提升，更多挑戰隨之而來。而在2017年，隨著蘋果將搭載VCSEL的Face ID引入智能手機后，中高端智能手機紛紛推出人臉識別系統，使得VCSEL應用受到市場高度重視。在中短程激光雷達所需的光源中，VCSEL也可與邊緣發射激光器（EEL）一爭高下。同時VCSEL應用還逐漸延伸至5G通訊、人工智能（AI）系統與智慧家電、汽車自動駕駛等領域。這些新興應用促成了如今VCSEL產業的繁榮景象。
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