相較于傳統邊射型半導體雷射的發展，垂直共握腔面射型雷射（VCSEL）的設計概念直到1979年首先被Iga等人提出。而Soda等人則在同年利用發光在1300 nm波段的InGaAsP-InP材料實際制作出第一個低溫且脈沖操作的VCSEL。其后隨著半導體材料布拉格及射鏡（distributed Bragg reflector, DBR）的使用與改善，Ogura 和Wang等人在1987年首次成功制作出室溫操作的GaAs面射型雷射［2］，隨后Lee等人在1989年改善DBR的反射率到達約99.9%而成功制作出低閾值電流密度（Jtn，1.8 kA/Cm2）的VCSEL。半導體材料的DBR是用兩種不同折射率的材料交互堆疊而成，其介面上能隙的不連續往往會造成電阻過大的情形發生，Geels等人在DBR介面上使用超晶格的方式減少能帶不連續而降低操作電壓以及閾值電流密度到0.6kA/Cm2［4］。接下來，VCSEL在電流與光學局限的結構上持續改善，其中氧化局限（oxide-confined）VCSEL［S］，使得閾值電流密度與操作特性更進一步獲得優化，VCSEL的總功率轉換效率可以達到57%以上［6］17］?，F今，VCSEL已成為Gigabit乙太網路的主要光源，VCSEL的調變速度可以到達25 Gb/s以上［8］，此外許多不同發光波長的VCSBL已實際商品化，雷射滑鼠也是目前VCSEL的應用之一。另外，多波長VCSEL陣列或元件也可以應用到分波多工（wavelength division multiplexing, WDM）通訊系統上，例如使用MBE成長特性制作出的二維多波長陣列，或是使用微機電（MEMS）的方式來制作波長可調式的VCSEL［10］-［13］ 都已有相當不錯的成果。

從元件結構的差異上比較，傳統的邊射型雷射和垂直共振腔面射型雷射結構如圖3-1所示，由于傳統的邊射型雷射其樓截面方向上光學局限機制在垂直與平行異質接面方向上不同，故雷射光的遠場發散角為橢圓型，造成與光纖耦合的困難。相反地，VCSBL在橫截面方向上對光學的局限較小且成對稱結構，因此具有低發散角的圓型雷射光點的特性，為光纖通訊的理想光源，除此之外，制作VCSBL的過程中，不需要用劈裂的方式來制作雷射共振腔，因此可以直接在未切過的晶圓上測試，具有提高制作元件的產量與降低制作成本的優點，而VCSEL的雷射反射鏡直接由磊晶成長時制作，不像傳統邊射型雷射需要后續的晶片劈裂與側向的鍍膜，在制作上需要花費更高的時間與成本。

我們將圖3-1（b）的VCSBL結構簡化如圖3-2所示，R1和R2分別為上下DBR的反射率，若不考慮穿透深度（penetration depth）的效應，則VCSBL的共振腔長L包括了P，N披覆層以及主動層厚度d，若主動層的吸收為aa，披覆層中的吸收為ac，由來回振蕩模型中需保持一致性的原則，我們可以得到：

整理上式可得VCSEL的閾值增益為：

由于雷射光為上下來回振盜，雷射光在水平方向的強度分布會和主動層完全重疊，因此在（3-2）式的左邊不需要再乘上光學局限因子Г，因為水平方向的Г=1。一般使用量子井或多重量子井的VCSEL，其主動層的厚度若為d=50nm，其共振腔長約500 nm，若aa=ac=10Cm-1，R1=R2=R，則閾值增益為

??

由于鏡面損耗的前置系數就高達2X10°，因此反射率R需要趨近于1才能使鏡面損耗該項降下來，對一般GaAs的VCSEL，即使其材料增益系數達到2000Cm-1，DBR的反射率也必須要大于99%才能達到閾值增益。和邊射型雷射相比，VCSBL的雷射光經過主動層的長度太短，需要高的反射率讓雷射光能夠盡量停留在共振腔內以達到閾值條件。