張繼業(yè)， 李 雪， 張建偉， 寧永強(qiáng)*， 王立軍*

(1． 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130033；2． 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心， 北京 100049)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器是信息化社會(huì)最具有代表性的關(guān)鍵光電子器件之一，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。研究人員在邊發(fā)射激光器(Edge emitting laser,EEL)的研制過(guò)程中遇到了陣列制備工藝復(fù)雜、器件測(cè)試?yán)щy以及輸出模式和波長(zhǎng)難以控制等問(wèn)題。因此，在1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)教授K Iga提出了一種VCSEL的概念[1]，并在1979年采用GaInAsP材料體系在77 K 溫度下首次實(shí)現(xiàn)脈沖輸出[2]。如圖1所示[1]，VCSEL 是一種在與半導(dǎo)體外延片垂直方向上形成光學(xué)諧振腔、發(fā)出的激光束與襯底表面垂直的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。

圖1 1977年VCSEL構(gòu)想草圖[1]

在這樣的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中，光的輸出端和器件底端都需要反射鏡，而反射鏡的高反射率對(duì)降低閾值電流密度起著非常巨大的作用。因此，人們針對(duì)高反射率的反射鏡進(jìn)行了各種研究，例如介質(zhì)膜分布式布拉格反射鏡(Distributed Bragg reflectors，DBR)、半導(dǎo)體DBR、復(fù)合反射鏡以及金屬膜反射鏡等[3]。GaAs材料體系的VCSEL從1983年開(kāi)始研究，到1986年實(shí)現(xiàn)低閾值的微腔操作[4]，這期間采用兩種不同類(lèi)型的膜以四分之一波長(zhǎng)的厚度交替生長(zhǎng)而成的DBR能實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)反射，反射率達(dá)到了99%以上。到了1988年，VCSELs器件采用多層SiO2/ TiO2介質(zhì)膜DBR，首次實(shí)現(xiàn)了850 nm的室溫連續(xù)激射[5]。然而，雖然數(shù)對(duì)介質(zhì)膜DBR即可實(shí)現(xiàn)高反射率，但是這種結(jié)構(gòu)不導(dǎo)電且散熱性差。為了改進(jìn)這一狀況，1986年首次實(shí)現(xiàn)了AlGaAs/GaAs DBR的VCSEL器件[6]。由于p型AlAs/Al0.1Ga0.9As DBR具有較高的勢(shì)壘電阻，因此該器件只在n側(cè)使用半導(dǎo)體DBR，而另一側(cè)反射鏡采用Au/SiO2鏡面組成。為了改進(jìn)半導(dǎo)體DBR的勢(shì)壘電阻問(wèn)題，許多研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了報(bào)道[6-9]。其中代表性的器件是采用高濃度Zn摻雜的AlAs層制備p型DBR[7]。此外，為了避免DBR的高勢(shì)壘電阻問(wèn)題，VCSEL器件采用光泵浦方式工作[8]，或者減少一側(cè)DBR的層數(shù)和一個(gè)外部輸出耦合鏡相結(jié)合[9]，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出。而量子阱(Quantum wells,QWs)和量子點(diǎn)(Quantum dots,QDs)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于VCSEL的有源區(qū)域時(shí)，進(jìn)一步提高了VCSEL輸出性能[1]。隨后，VCSEL器件的深入研究展現(xiàn)了其本身所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了高功率輸出[10-11]、高調(diào)制速率[12-13]以及高溫穩(wěn)定[14]等性能。

與傳統(tǒng)的EEL結(jié)構(gòu)不同， VCSEL結(jié)構(gòu)是由上下DBR、QWs、氧化孔徑和上下金屬電極組成。其有源區(qū)位于n型摻雜的DBR和p型摻雜的DBR之間。這種結(jié)構(gòu)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

(1)光束質(zhì)量：VCSEL的出射光是從一個(gè)圓形對(duì)稱的臺(tái)面中出射，輸出小發(fā)散角的圓型對(duì)稱光斑，通過(guò)簡(jiǎn)單的光束整形系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)低成本高效率的耦合；

(2)閾值低：由于VCSEL有源區(qū)的體積小，容易實(shí)現(xiàn)低閾值激射，甚至可以達(dá)到μA量級(jí)；

(3)無(wú)鏡面損傷：VCSEL的反射鏡是外延生長(zhǎng)的兩個(gè)DBR，不存在激光腔面光學(xué)損傷問(wèn)題；

(4)穩(wěn)定性和可靠性：組成VCSEL的半導(dǎo)體材料折射率隨溫度變化很小，導(dǎo)致器件的激射波長(zhǎng)溫漂小，具有非常寬的工作溫度范圍；

(5)單縱模輸出：VCSEL的諧振腔長(zhǎng)度很短，即μm量級(jí)，縱模間距較大，只在單縱模下輸出，可以得到較大的弛豫振蕩頻率；

(6)大尺度二維陣列：VCSEL的出光方向垂直于基底，易于實(shí)現(xiàn)高密度二維陣列集成的大功率輸出且低成本制造的晶圓測(cè)試。

隨著 VCSEL 的大口徑以及二維陣列的開(kāi)發(fā)，VCSEL的輸出功率有了顯著的提高。針對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器在激光泵浦、醫(yī)療、軍事以及材料加工等應(yīng)用領(lǐng)域的需求日益增長(zhǎng)，高功率VCSEL 成為很重要的一個(gè)研究方向。而且近年來(lái)，VCSEL在消費(fèi)市場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，包括激光雷達(dá)(Light detection and ranging,LiDAR)、距離傳感、自動(dòng)對(duì)焦、3D傳感、虹膜識(shí)別、空氣和水質(zhì)檢測(cè)以及虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual reality,VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented reality,AR)/混合現(xiàn)實(shí)(Mixed reality,MR)等等，針對(duì)高功率VCSEL的需求也越來(lái)越大。同時(shí)，由于先進(jìn)駕駛系統(tǒng)(Advanced driving assistance systems，ADAS)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與5G通信技術(shù)等應(yīng)用愈發(fā)成熟，信息的快速爆炸產(chǎn)生了對(duì)數(shù)據(jù)帶寬大幅增長(zhǎng)的需求。而VCSEL具有較大的弛豫振蕩頻率，可以實(shí)現(xiàn)高調(diào)制帶寬，因此在光互連和光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。而能應(yīng)用于光互聯(lián)、3D傳感、車(chē)載雷達(dá)、原子鐘等領(lǐng)域，是由于VCSEL的關(guān)鍵特性：穩(wěn)定的高溫性能和對(duì)溫度變化不敏感。為滿足這些應(yīng)用需求，高溫穩(wěn)定工作、可靠性高的VCSEL近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注。

隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，VCSEL技術(shù)有了顯著的改進(jìn)，VCSEL的性能優(yōu)化得到各方研究人員的重視。本文主要集中探討VCSEL器件在高功率、高速及高溫下工作的研究進(jìn)展以及應(yīng)用前景。

2 高功率VCSEL

2.1 高功率VCSEL研究進(jìn)展

在VCSEL發(fā)展之初，主要在降低閾值、擴(kuò)大輸出波長(zhǎng)范圍和高速調(diào)制等方面進(jìn)行研究，直到1996年才對(duì)提高VCSEL輸出功率方面展開(kāi)了研究。高功率VCSEL器件最早是由德國(guó)烏爾姆(Ulm)大學(xué)開(kāi)始研制，分別制備了頂發(fā)射和底發(fā)射的980 nm VCSELs 單管器件，室溫下連續(xù)輸出功率分別達(dá)到 180 mW 和 350 mW[15]。隨后，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校制備了940 nm VCSELs 單管器件，連續(xù)輸出功率達(dá)到2 W，脈沖輸出功率達(dá)到5 W[16]。2001年，德國(guó)Ulm大學(xué)報(bào)道了320 μm口徑的VCSEL 單管器件，980 nm波長(zhǎng)的輸出功率為0.89 W，二維列陣器件達(dá)到1.55 W[17]。2005年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所制作的500 μm口徑 VCSEL 單管器件實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出，達(dá)到了1.95 W[18]。同年，美國(guó)普林斯頓光電公司(Princeton Optronics)采用金剛石散熱片在直徑350 μm器件上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出達(dá)到3 W[19]。為了進(jìn)一步提高功率，VCSEL陣列器件的開(kāi)發(fā)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其中Princeton Optronics 公司是目前最先進(jìn)的，代表了高功率VCSEL的最高水平。2008年，該公司在 5 mm×5 mm 的VCSEL陣列器件上實(shí)現(xiàn)了功率為 45 W的輸出，如圖2所示[20]。隨后，該公司設(shè)計(jì)了單元更加緊湊的 VCSEL列陣，在熱沉溫度為 15 ℃下，連續(xù)輸出功率達(dá)到 231 W，脈沖輸出達(dá)到數(shù)千瓦，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際最高水平[21]。

圖2 980 nm高功率VCSEL陣列[20]Fig.2 Schematic diagram of 980 nm high power VCSEL array[20]

在國(guó)內(nèi)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所于2011年實(shí)現(xiàn)了980 nm VCSEL單管脈沖輸出達(dá)到92 W[22]，4×4 VCSEL陣列脈沖輸出達(dá)到123 W[23]。2014年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所采用4個(gè)高功率 VCSEL 單管串聯(lián)連接形成列陣，將脈沖輸出功率提高到210 W[24]。

808 nm波長(zhǎng)的VCSEL首次由英國(guó)威爾士卡迪夫大學(xué)在1999年提出[23]，但是由于GaAs 材料體系對(duì)808 nm波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的吸收，因此808 nm波長(zhǎng)的高功率VCSEL 器件在早期一直未得到實(shí)現(xiàn)。直到2009年，美國(guó)Princeton Optronics公司將VCSEL芯片襯底完全去除并焊接在金剛石熱沉上，在3 mm×3 mm芯片上集成了3 000個(gè)發(fā)光單元形成VCSEL陣列，連續(xù)輸出功率超過(guò)58 W[25]。為了進(jìn)一步提高功率，該公司制作出尺寸為5 mm×5 mm的VCSEL面陣，連續(xù)輸出功率超過(guò)120 W[26]。之后，該公司集成了多個(gè)該VCSEL面陣列實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率超過(guò)650 W[27]。2011年，該公司使用12塊 2.7 mm×2.7 mm 的 VCSEL 陣列實(shí)現(xiàn)了500 W的準(zhǔn)連續(xù)輸出[28]，隨后，又將該模塊的輸出功率提高到1.2 kW[29]。2012年，該公司設(shè)計(jì)了VCSEL圓形陣列，峰值輸出功率為 810 W，如圖3所示[30]。2017年，該公司又研制了峰值功率高達(dá) 2.3 kW的VCSEL陣列[31]。

圖3 (a)4個(gè)串聯(lián)808 nm的VCSEL二維陣列；(b)模塊俯視圖照片[30]。Fig.3 (a)Image of four 2D VCSEL arrays connected in series. (b)Top-view photograph of the module[30].

然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于 808 nm VCSEL研究?jī)H限于小尺寸VCSEL陣列器件的研制。2011 年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所制備了2×2單管發(fā)光直徑 70 μm的808 nm VCSEL列陣，連續(xù)輸出功率僅為115 mW[32]。2014年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所對(duì)VCSEL的DBR的材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用非閉合環(huán)結(jié)構(gòu)制備2×2 VCSEL列陣，實(shí)現(xiàn)了脈沖輸出功率為 30 W[33]。

最初對(duì)1 060 nm VCSEL的研究主要集中在低功耗通信器件上。而1 060 nm波長(zhǎng)的高功率VCSEL的開(kāi)發(fā)也取得了不錯(cuò)的成果。2007年，美國(guó)Princeton Optronics公司研制出高溫工作下的1 064 nm VCSEL陣列模塊，連續(xù)輸出功率達(dá)到40 W。2014年，該公司將6個(gè)高性能VCSEL陣列組成模塊，實(shí)現(xiàn)輸出300 W的功率[34]。

VCSEL器件通過(guò)增加出光窗口的孔徑和二維集成陣列的密度，實(shí)現(xiàn)了輸出功率在幾百毫瓦到幾千瓦之間的裕度。然而，高功率VCSEL單管或陣列器件均為多橫模輸出，導(dǎo)致輸出光束的光束質(zhì)量很差。因此，如何實(shí)現(xiàn)高功率單橫模激射是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。具有大出光窗口孔徑的VCSEL器件雖然能夠保證高功率的輸出，但這種大孔徑窗口結(jié)構(gòu)的注入電流分布不均勻，導(dǎo)致輸出模式很差。通過(guò)優(yōu)化p面金屬電極來(lái)改變注入電流的分布，能夠改變輸出光的模式。2011年，長(zhǎng)春理工大學(xué)通過(guò)在p面金屬電極上采用分布式環(huán)形電極，制備了300 μm口徑的頂發(fā)射808 nm VCSEL單管器件，連續(xù)輸出功率達(dá)到300 mW，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角寬度小于13°，如圖4所示[35]。2012年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所采用三維有限元方法分析了電極結(jié)構(gòu)對(duì)有源區(qū)內(nèi)電流密度分布的影響，優(yōu)化p面金屬電極，使注入電流均勻地分布。該機(jī)構(gòu)制備的980 nm VCSEL單管器件在室溫下連續(xù)輸出功率達(dá)到1.46 W，發(fā)散角為5.4°，而8×8 VCSEL陣列輸出光束的發(fā)散角為10.2°，連續(xù)輸出功率達(dá)到了 1.95 W[36]。

圖4 分布式環(huán)形電極示意圖[35]

另一種改善光束質(zhì)量的方法是在VCSEL器件刻蝕微結(jié)構(gòu)。2009年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在980 nm VCSEL器件的襯底上制備了直徑為300 μm的微透鏡，連續(xù)輸出功率超過(guò)了180 mW，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角寬度分別為7.8°和8.4°，如圖5所示[37]。同年，該機(jī)構(gòu)又制備了6×6微透鏡集成的980 nm VCSEL列陣，最高輸出功率達(dá)到1.17 W，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角約為6°[38]。2012年，該機(jī)構(gòu)在VCSEL表面制備金屬光柵，實(shí)現(xiàn)輸出功率為860 mW，遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散度被抑制到12°，如圖6所示[39]。2014年，日本濱松光子學(xué)K.K.中央研究室通過(guò)在有源區(qū)沉積光子晶體結(jié)構(gòu)制備了940 nm VCSEL單管器件，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1 W的連續(xù)輸出，而光束質(zhì)量接近1[40]，這是里程碑式的進(jìn)步。

圖5 微透鏡集成底發(fā)射垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖[37]Fig.5 Schematic diagram of microlens-integrated bottom-emitting VCSEL[37]

圖6 金屬光柵VCSEL示意圖[39]

圖7 光子晶體VCSEL示意圖[40]

為了解決高功率VCSEL光束質(zhì)量差的問(wèn)題，研究者又提出了垂直外腔面發(fā)射激光器。根據(jù)泵浦方式的不同，可分為光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器(Optically-pumped vertical external cavity surface emitting laser,OP-VECSEL)和電泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器(Electrically-pumped vertical external cavity surface emitting laser,EP-VECSEL)。2003年，美國(guó)諾瓦盧公司研制了980 nm 的EP-VECSEL，實(shí)現(xiàn)了0.5 W基模(M2≈1.0～1.2)和1 W的多模(M2≈10～20)輸出，如圖8所示[41]。2009年，美國(guó)Princeton Optronics公司研制出了980 nm的EP-VECSEL陣列，包含475個(gè)發(fā)光單元，基模連續(xù)和脈沖輸出功率分別達(dá)到42 W和155 W[42]。

圖8 諾瓦盧公司研制的980 nm EP-VECSEL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[41]Fig.8 Structure diagram of 980 nm EP-VECSEL developed by Novalux Company[41]

對(duì)于OP-VECSEL而言，其制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟。研究人員對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)和泵浦方式進(jìn)行了改進(jìn)，有效地提高了OP-VECSEL的輸出功率。2003年，德國(guó)Osram半導(dǎo)體公司將OP-VECSEL芯片在襯底去除后和金剛石散熱片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了最大功率達(dá)到8 W的1 000 nm波長(zhǎng)輸出，M2<1.8[43]。2006年，三星尖端技術(shù)研究所設(shè)計(jì)出底端泵浦的1 060 nm OP-VECSEL，模輸出功率可達(dá)到7 W(M2<1.5)，最大輸出功率為9.1 W，如圖9所示[44]。2008年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院RUDIN等獲得960 nm波長(zhǎng)的20 W的基模輸出，光束質(zhì)量M2≈1.1[45]。 2012年，德國(guó)菲利普馬爾堡大學(xué)聯(lián)合報(bào)道了工作溫度3 ℃下，OP-VECSEL激射波長(zhǎng)為1 028 nm，單橫模連續(xù)輸出功率達(dá)到106 W[46]。2016年，德國(guó)菲利普馬爾堡大學(xué)采用兩個(gè)增益芯片結(jié)構(gòu)的OP-VECSEL器件實(shí)現(xiàn)了激射雙波長(zhǎng)為1.01 μm和1.02 μm，連續(xù)輸出功率超過(guò)600 W[47]。2019年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制了980 nm OP-VECSEL，單橫模連續(xù)輸出功率達(dá)到10 W[48]。

圖9 底端泵浦的 OP-VECSEL 及芯片結(jié)構(gòu)示意圖[44]Fig.9 Schematic of the end-pumped VECSEL and chip structure[44]

2.2 應(yīng)用前景

高功率VCSEL在保留前面所敘述的固有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的輸出功率，使其在多個(gè)領(lǐng)域有望取代傳統(tǒng)的高功率EEL。由于VCSEL的特殊結(jié)構(gòu)，使其在光纖耦合方面具有天然的優(yōu)勢(shì)[49]。因此，980 nm 和 808 nm VCSEL能夠成為摻鉺光纖放大器和Nd∶YAG、Nd∶YVO4固體激光器的新型泵浦光源[50-51]。同時(shí)，VCSEL的激射波長(zhǎng)最大只有幾個(gè)納米的線寬，使色彩數(shù)量比發(fā)光二極管(Light-emitting diode,LED)的色彩標(biāo)準(zhǔn)增加了30%～40%，提高了光調(diào)制的效率，并且其成本低、效率高、壽命長(zhǎng)。這些優(yōu)點(diǎn)使VCSEL在腔內(nèi)或腔外倍頻后產(chǎn)生三基色激光，可以作為激光顯示的光源，如圖10所示[41]。目前，激光電視已經(jīng)在市場(chǎng)上廣受好評(píng)。

圖10 激光顯示用三基色EP-VECSEL面陣光源[41]Fig.10 EP-VECSEL array light source with three primary colors for laser display[41]

近紅外照明(808～1 064 nm)用于攝像機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)視和檢查，它可以拍攝高速和困難條件下的物體圖片，如圖11所示[52]。由于VCSEL的光束整形高效且簡(jiǎn)單，避免了LED寬發(fā)射模式所需的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，使得 VCSEL陣列成為一個(gè)良好的輻射源。此外，VCSEL陣列的亮度比最亮的LED高出10～100倍，可在數(shù)百米的距離進(jìn)行聚焦照明。該應(yīng)用中最重要的優(yōu)勢(shì)可能是對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行非常均勻的照明，寬高比可以根據(jù)相機(jī)的需要進(jìn)行調(diào)整。雖然不同的波長(zhǎng)都可以用于紅外照明，但通常會(huì)在響應(yīng)性、眼睛安全、成本和效率等方面進(jìn)行權(quán)衡。例如，808 nm光源為CCD相機(jī)提供了最佳的響應(yīng)率，但對(duì)于高功率光源來(lái)說(shuō)，它對(duì)眼睛不安全，不能用于隱蔽的應(yīng)用。976 nm光源可用于基于Si或InGaAs的探測(cè)器，雖然具有較低的響應(yīng)率，但可降低對(duì)眼睛的損傷，并可用于隱蔽應(yīng)用。在1 064 nm區(qū)域，基于InGaAs的相機(jī)的響應(yīng)率要好得多。它被認(rèn)為是一種隱秘的波長(zhǎng)，可以降低對(duì)眼睛的損傷。

圖11 (a)經(jīng)過(guò)光整形的統(tǒng)一照明圖案，可識(shí)別道路上的行人;(b)照明用大功率VCSEL陣列[52]。Fig.11 (a)Uniform illumination pattern with adapted shape allowing recognizing a person on the road. (b)High power VCSEL array for illumination[52].

高功率VCSEL系統(tǒng)不僅僅是一種新型的激光光源，它們有可能重新定義工業(yè)熱處理工藝。這種緊湊而堅(jiān)固的系統(tǒng)可以很容易地集成到制造設(shè)備中，或者集成在生產(chǎn)線上，取代了長(zhǎng)度超過(guò)1 m的熔爐。VCSEL加熱系統(tǒng)的定向激光輻射將高紅外功率光束集中到一個(gè)明確的目標(biāo)區(qū)域，無(wú)需復(fù)雜的光束整形系統(tǒng)或掃描單元。目標(biāo)上的每一點(diǎn)都由許多單獨(dú)的VCSELs輻射，以促進(jìn)其均勻性和堅(jiān)固性。VCSEL加熱模塊的功率密度足以使塑料材料高速熔化。相關(guān)的工業(yè)工藝的例子是塑料零件的成型，以及通過(guò)塑料焊接或熱熔膠將零件連接起來(lái)。而VCSEL加熱系統(tǒng)也可用于物體表面、油漆、涂料和薄膜的干燥和固化過(guò)程。作為工業(yè)加熱工藝的進(jìn)一步研究領(lǐng)域，VCSEL技術(shù)對(duì)鋼件的局部熱處理正是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。特別是針對(duì)加熱輪廓的精確空間和時(shí)間控制是有利的，例如在工件的尖銳邊緣，很難用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行處理。

3 高速VCSEL

隨著計(jì)算機(jī)性能和互聯(lián)網(wǎng)流量數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)，采用常規(guī)的電氣互聯(lián)已經(jīng)不再適合。光互連(Optical interconnect，OI)技術(shù)具有更高的帶寬、更低的能耗以及更小的尺寸等優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)[53]。1996年，美國(guó)霍尼韋爾公司首次將基于VCSEL的短距離OI技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信[54-55]?，F(xiàn)今，VCSEL已經(jīng)成為短距離OI技術(shù)的主要激光光源以及開(kāi)發(fā)其他OI系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。因此，許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)高速VCSEL產(chǎn)生了極大的興趣，并進(jìn)行了深入研究。

目前，基于使用標(biāo)準(zhǔn)OM3、OM4或新OM5多模光纖(MMF)的系統(tǒng)，850 nm波長(zhǎng)是短距離數(shù)據(jù)通信的主流。850 nm高速VCSEL外延工藝較為成熟，傳播損耗低(2～3 dB/km)，作為短距離OI系統(tǒng)中的重要器件已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)。2008年，美國(guó)菲尼薩公司(Finisar)制備了常規(guī)的850 nm VCSEL，有源區(qū)采用非應(yīng)變GaAs QW，AlGaAs作為勢(shì)壘層，氧化口徑為6 μm，在25 ℃時(shí)，實(shí)現(xiàn)了30 Gbps的調(diào)制速率，調(diào)制帶寬達(dá)到了19 GHz[56]。與GaAs QW相比，壓應(yīng)變InGaAs QW具有更大的微分增益，可以用于高速VCSEL。2009年，瑞典查爾莫斯科技大學(xué)(CUT)使用InGaAs量子阱和雙氧化層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20 GHz調(diào)制帶寬、32 Gbps的調(diào)制速率[57]。2012年，CUT在室溫下實(shí)現(xiàn)了28 GHz調(diào)制帶寬、44 Gbps調(diào)制速率[58]。隨后，該機(jī)構(gòu)又研究了光子壽命和信號(hào)傳輸速率之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化光子壽命進(jìn)一步提高了VCSEL性能，報(bào)道了氧化口徑8 μm的器件在25 ℃下，實(shí)現(xiàn)了57 Gbps的無(wú)誤碼傳輸和24 GHz的帶寬[59]。2015年，CUT與美國(guó)國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)合作，引入均衡功能，將驅(qū)動(dòng)電路、退耦電容和VCSEL集成化，在室溫下將無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸速率提高到71 Gbps，在90 ℃環(huán)境中傳輸速率達(dá)到50 Gbps，如圖 12所示[60]。

圖12 集成驅(qū)動(dòng)IC、VCSELs、解耦電容和電路板的圖片[60]。Fig.12 Image of transmitter showing driver IC, VCSELs, decoupling capacitors and printed circuit board traces[60].

與此同時(shí)，其他研究機(jī)構(gòu)也針對(duì)850 nm波長(zhǎng)的高速VCSEL器件進(jìn)行了研究。2009年，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)(TUB)報(bào)道了氧化口徑為9 μm的器件，可以實(shí)現(xiàn)在室溫工作條件下40 Gbps無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸[61]。美國(guó)IBM和Finisar公司在2012年共同報(bào)道了55 Gbps直接調(diào)制的光互聯(lián)技術(shù)[62]，之后又將調(diào)制速率提高到56.1 Gbps[63]。2013年，中國(guó)臺(tái)灣中央大學(xué)報(bào)道了4 μm氧化口徑的VCSEL，在85 ℃工作溫度下，調(diào)制帶寬為22.4 GHz，調(diào)制速率達(dá)到34 Gbps，如圖13所示[64]。該研究機(jī)構(gòu)在2015年使用氧化物浮雕結(jié)構(gòu)來(lái)減少寄生效應(yīng)和Zn摻雜的擴(kuò)散，從而將光學(xué)孔徑限制在較窄的光譜寬度并減小差分電阻，在25 ℃下得到了41 Gbps的傳輸速率[65]。2016年，伊利諾伊大學(xué)香檳分校報(bào)道了高速850 nm VCSEL，展現(xiàn)了50 Gbps無(wú)誤碼傳輸和28.2 GHz的3 dB調(diào)制帶寬[66]。該器件采用雙氧化層結(jié)構(gòu)來(lái)減小寄生效應(yīng)，在n型DBR中引入二元材料AlAs層來(lái)降低熱效應(yīng)，顯著地提高了VCSEL的調(diào)制帶寬。

圖13 (a)VCSEL器件的概念剖面圖；(b)被演示器件的俯視圖[64]。Fig.13 (a)Conceptual cross-sectional view of VCSEL devices A and B. (b)Top view of the demonstrated device[64].

980 nm VCSEL在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域尤為重要，尤其是對(duì)于波分復(fù)用(Wavelength division multiplexing，WDM)和自由空間光通信方面[67]。980 nm高速VCSEL通常采用應(yīng)變InGaAs/GaAs QWs作為有源區(qū)。與850 nm VCSEL相比，980 nm VCSEL通常具有更深的QW，即有In組分可以抑制非平衡載流子的逸出并因此提高溫度穩(wěn)定性。在980 nm發(fā)射的InGaAs QW具有更大的微分增益和更低的透明載流子密度，有望實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率、更高的調(diào)制帶寬、更低的閾值電流和更高的可靠性。由于較小的能帶帶隙，980 nm VCSEL的工作電壓較低，這對(duì)于低壓互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)器是很重要的。另外，由于GaAs襯底在980 nm處的透明性，所以980 nm VCSEL可以設(shè)計(jì)為底部發(fā)射結(jié)構(gòu)。2007年，加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校制備了氧化口徑為3 μm的980 nm VCSEL，在4.4 mA電流下實(shí)現(xiàn)了35 Gbps的無(wú)誤碼傳輸，工作溫度為20 ℃。該器件在DBR中采用了錐型氧化孔來(lái)減少光損耗，利用多層氧化層以降低電容，并且在上DBR中優(yōu)化了p摻雜分布來(lái)降低電阻，從而產(chǎn)生大于20 GHz時(shí)最大為3 dB的調(diào)制帶寬[68]。2011年，德國(guó)TUB通過(guò)縮短腔長(zhǎng)到半波長(zhǎng)和調(diào)整DBR中的摻雜等方法，在室溫下實(shí)現(xiàn)了44 Gbps的無(wú)誤碼傳輸[69-70]。2014年，該機(jī)構(gòu)制備了λ/2厚的光腔980 nm VCSEL，實(shí)現(xiàn)了23.9 GHz的3 dB調(diào)制帶寬，并在室溫下以50 Gbps的速率實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤碼傳輸[71]。2017年，德國(guó)TUB報(bào)告了簡(jiǎn)單的VCSEL，該VCSEL采用簡(jiǎn)化的外延層設(shè)計(jì)，沒(méi)有復(fù)雜的氧化層結(jié)構(gòu)，在光腔的n-DBR和p-DBR側(cè)都有一個(gè)半波長(zhǎng)腔和單層氧化層，用于限制光場(chǎng)和載流子，實(shí)現(xiàn)了具有31～34 GHz的3 dB小信號(hào)調(diào)制帶寬[72-73]。2018年，德國(guó)TUB報(bào)道了3 μm小口徑980 nm VCSEL，在25 ℃工作條件下，創(chuàng)造了35.5 GHz的帶寬新記錄[74]。

對(duì)于1 100 nm波長(zhǎng)的VCSEL而言，它們的能帶隙甚至更小，因此其工作電壓比980 nm VCSEL的低。 但是與以較短波長(zhǎng)發(fā)射的VCSEL相比，1 100 nm VCSEL通常具有較高的自由載流子損耗,目前對(duì)這個(gè)波段的報(bào)道較少。2006年，日本電氣公司(NEC)制備了氧化物限制VCSEL，在室溫下實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤碼的25 Gbps調(diào)制速率和高達(dá)20 GHz的3 dB調(diào)制帶寬[75]。隨后，該公司繼續(xù)對(duì)1 100 nm高速VCSEL進(jìn)行研究，通過(guò)使用掩埋隧道結(jié)，在室溫下使用24 GHz 3 dB調(diào)制帶寬的VCSEL完成了30 Gbps和40 Gbps無(wú)誤碼傳輸?shù)膱?bào)道[76-77]。

高速VCSEL有3個(gè)主要的帶寬限制因素：寄生電容限制、阻尼限制和熱效應(yīng)限制。為了獲得高調(diào)制帶寬，則需要降低這3種限制因素。針對(duì)寄生效應(yīng)，應(yīng)盡可能地降低VCSEL器件的電阻和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用的方法有：優(yōu)化DBR中的導(dǎo)帶和價(jià)帶界面以及摻雜分布[65,68]、在信號(hào)焊盤(pán)下面使用低介電常數(shù)的厚聚絕緣材料作為支撐物[64]、引入多個(gè)深氧化層以及質(zhì)子注入技術(shù)[57,66]。為了降低阻尼限制，高速VCSEL的優(yōu)化方法有兩種：使用應(yīng)變QW[68]以及采用半波長(zhǎng)腔和小氧化物孔徑[69-74]。而熱效應(yīng)則通過(guò)降低VCSEL的串聯(lián)電阻[65,68]、采用高導(dǎo)熱率的DBR[66]、采用鍍銅散熱片[14]等方法來(lái)緩解。

近幾年報(bào)道的研究顯示調(diào)制帶寬基本在30 GHz左右，通過(guò)優(yōu)化后可以接近35 GHz，這被認(rèn)為是常規(guī)氧化物限制VCSEL的極限[78]。傳統(tǒng)的短距離光互聯(lián)技術(shù)是將VCSEL和MMF通過(guò)不歸零調(diào)制方案(Non-return-to-zero，NRZ)直接調(diào)制檢測(cè)，適用于25 Gbps光纖鏈路。但是隨著數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)，需要開(kāi)發(fā)出更高的調(diào)制速率鏈路，并且調(diào)制速率的提升依賴于調(diào)制方式和電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。想要提高調(diào)制速率，需要引入各種新的技術(shù)，包括數(shù)字信號(hào)處理(Digital signal processing,DSP)、WDM、前向糾錯(cuò)(Forword error correction,FFC)、脈沖整形等，還需要引入新的調(diào)制方式，例如四電平脈沖幅度調(diào)制(Four-level pulse amplitude modulation,PAM4)、無(wú)載波幅度相位調(diào)制(Carrierless amplitude/phase modulation,CAP)、離散多音頻調(diào)制(Discrete multi-tone modulation,DMT)等。今后高速VCSEL的研究展開(kāi)還需要向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向延伸，例如1 310 nm波段和1 550 nm波段的光收發(fā)系統(tǒng)，這兩個(gè)波段的光纖損耗遠(yuǎn)小于850 nm處的損耗，可以將通信距離延伸至20 km以上。但是，在該工作波段VCSEL芯片外延生長(zhǎng)有較大難度，因此對(duì)于長(zhǎng)波波段高速VCSEL還沒(méi)有廣泛應(yīng)用于光互聯(lián)。

4 高溫工作VCSEL

隨著VCSEL應(yīng)用的市場(chǎng)需求日益多樣化，許多應(yīng)用領(lǐng)域需要VCSEL器件在高溫環(huán)境下工作。這就需要VCSEL具有穩(wěn)定的高溫性能，尤其是在芯片級(jí)原子鐘(Chip scale atomic clock,CSAC)上的應(yīng)用。CSAC均采用VCSEL作為光源器件，需要VCSEL產(chǎn)生激光的閾值電流低，可以在芯片物理系統(tǒng)的高溫環(huán)境(80～90 ℃)下穩(wěn)定工作[79]。早在2000年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和科技學(xué)會(huì)就報(bào)道了運(yùn)用VCSEL制作的原子鐘，如圖14所示[80]。

圖14 美國(guó)NIST報(bào)道的CSAC基本結(jié)構(gòu)示意圖[80]Fig.14 Basic structure diagram of CSAC reported by NIST[80]

為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)CSAC，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)高溫穩(wěn)定的VCSEL器件進(jìn)行了積極的研究。2003年，德國(guó)Ulm大學(xué)通過(guò)在VCSEL表面刻蝕橢圓狀的浮雕，制備出了能在85 ℃高溫環(huán)境下工作的單模單偏振的VCSEL器件[81]。隨后，德國(guó)Ulm大學(xué)利用表面倒光柵浮雕制作了850 nm VCSEL，其在90 ℃高溫下的邊模抑制比(Side-mode suppression ratio,SMSR)大于30 dB，正交偏振比(Orthogonal polarization suppression ratio,OPSR)大于20 dB，且其出光功率大于1 mW[82]。2006年，美國(guó)桑迪亞(Sandia)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、迅騰公司和查爾斯·斯塔克·德拉普爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合通過(guò)刻蝕表面光柵，研制出了在1 mA的注入電流下實(shí)現(xiàn)SMSR>35 dB的高性能VCSEL，其高溫下的輸出功率超過(guò)1 mW[83]。隔年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了850 nm VCSEL的表面光柵，控制偏振特性使其OPSR>15 dB,且在85 ℃高溫下仍能保持單偏振工作[84]。2008年，德國(guó)Ulm大學(xué)提出了適用于Cs 原子鐘的895 nm VCSEL器件，在80 ℃下 SMSR接近30 dB，OPSR接近40 dB[85]。2013年，瑞士納沙泰爾大學(xué)研制了用于原子相干布居俘獲原理(Coherent population trapping，CPT)的微型Cs原子鐘的894.6 nm VCSEL[86]。2015年，美國(guó)Princeton Optronics公司開(kāi)發(fā)了3種適用于原子鐘的單頻VCSEL，激射波長(zhǎng)分別為780,795，850 nm，單頻輸出功率達(dá)到100 mW[87]。 2019年，英國(guó)CST公司研制了專門(mén)為基于CPT的原子鐘定制的892 nm VCSEL，SMSR超過(guò)30 dB，OPSR超過(guò)15 dB，甚至在70 ℃的高溫下仍然表現(xiàn)出優(yōu)越的性能[88]。

而國(guó)內(nèi)致力于芯片級(jí)原子鐘研究的機(jī)構(gòu)較少。2009年，中北大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了基于CPT原子鐘的780 nm VCSEL，在75 ℃高溫下最大輸出功率接近0.5 mW[89]。2013年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制了Rb原子鐘專用的795 nm VCSEL，75 μm口徑的器件在85 ℃下，最大輸出功率為1.8 mW[79]。2015年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所又研制了Cs原子鐘專用的895 nm VCSEL，在110 ℃工作環(huán)境下，SMSR大于25 dB，閾值電流僅為0.32 mA，輸出功率超過(guò)1 mW[90]。2018年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所采用淺表面光柵實(shí)現(xiàn)了一種偏振穩(wěn)定的單模894 nm VCSEL，OPSR達(dá)到30 dB，甚至在溫度高達(dá)80 ℃時(shí)輸出性能也很優(yōu)越[91]。2020年，北京工業(yè)大學(xué)研制了Cs原子鐘專用的895 nm VCSEL，輸出功率達(dá)到0.86 mW，SMSR大于20 dB[92]。

另一方面，隨著自主駕駛、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，所需傳輸數(shù)據(jù)量與日俱增，這導(dǎo)致了能夠支持更大容量的短距離OI技術(shù)得到迅猛發(fā)展。由于空氣中巨大的傳播損耗和色散，運(yùn)用在OI系統(tǒng)上的高速VCSEL必須盡可能放置在集成電路(Integrated circuit，IC)上。然而，IC在高速運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致VCSEL器件的工作環(huán)境溫度升高，從而影響其高速運(yùn)行性能[93]。

為了保持VCSEL在高溫環(huán)境下的高速性能，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了研究。2005年，美國(guó)E2O公司采用AlGaInAs材料體系，研制出工作溫度85 ℃下1.3 μm波段連續(xù)波輸出為0.6 mW的VCSEL。該器件在溫度高達(dá)119 ℃下仍能單模連續(xù)輸出，高速調(diào)制數(shù)據(jù)率高達(dá)10 Gbps[94]。2007年，瑞典皇家理工學(xué)院研制出采用表面浮雕高應(yīng)變InGaAs量子阱的1.28 μm VCSEL，在25 ℃時(shí)調(diào)制帶寬為8 GHz，單模功率為1.2 mW；85 ℃時(shí)調(diào)制帶寬為6 GHz，單模功率為0.6 mW[95]。2010年，日本NEC公司采用應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腎nGaAs/GaAsP QWs制備了1.1 μm VCSEL，在100 ℃高溫下，實(shí)現(xiàn)了25 Gbps無(wú)誤碼連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸[96]。2014年，德國(guó)TUB制備了980 nm VCSEL，在25～85 ℃下，實(shí)現(xiàn)了38 Gbps無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸[97]。2015年，美國(guó)沃森研究中心報(bào)道了一種能夠在30～90 ℃下NRZ調(diào)制的傳輸速率達(dá)到50 Gbps的850 nm VCSEL[98]。2015年，中國(guó)臺(tái)灣NCU采用波長(zhǎng)失諧技術(shù)與表面浮雕相結(jié)合，提高了溫度穩(wěn)定性[65]。該器件在85 ℃的工作溫度下調(diào)制速率為40 Gbps，最大調(diào)制帶寬達(dá)到27 GHz。隨后，該機(jī)構(gòu)又展示了一種不對(duì)稱的VCSEL腔結(jié)構(gòu)，在85 ℃的工作溫度下，仍能展示優(yōu)越的速度和輸出功率性能[93]。2017年，德國(guó)TUB 調(diào)整VCSEL的鏡面反射率，在25～75 ℃的寬溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了50 Gbps無(wú)誤碼的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸[99]。2019年，德國(guó)VI有限公司報(bào)道了單模850 nm VCSELs在無(wú)信號(hào)處理的情況下，實(shí)現(xiàn)了60 Gbps無(wú)誤碼的數(shù)據(jù)傳輸[100]。同年，北京工業(yè)大學(xué)采用高熱導(dǎo)率的AlAs材料優(yōu)化n型DBR反射鏡，制作了氧化限制頂發(fā)射VCSEL，在0～70 ℃ 的溫度下仍能滿足25 Gbps工作要求[101]。

穩(wěn)定的高溫性能和對(duì)溫度變化的不敏感是VCSEL器件在高溫環(huán)境下工作的關(guān)鍵因素。CSAC和OI系統(tǒng)所應(yīng)用的光源是高溫工作VCSEL器件最具有代表性的應(yīng)用方向。一般情況下，VCSEL的性能在高溫下會(huì)嚴(yán)重退化，導(dǎo)致閾值電流增大，斜率效率降低，并且諧振載流子光子相互作用的本征阻尼也會(huì)影響VCSEL的調(diào)制速度。而增益-腔模失配型的VCSEL器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)高溫環(huán)境采取的主要手段。新材料和新技術(shù)的引入將進(jìn)一步提高VCSEL器件在高溫環(huán)境下的輸出性能。

5 最新VCSEL應(yīng)用

自1990年以來(lái)，伴隨著VCSEL器件性能的不斷提高，VCSEL已經(jīng)得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，其應(yīng)用領(lǐng)域也呈爆炸式增長(zhǎng)。到2010年，VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域從數(shù)據(jù)通信開(kāi)始，接著是傳感器、打印機(jī)和電腦鼠標(biāo)。此后，雖然數(shù)據(jù)通信和傳感的市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，并有望進(jìn)一步上升，占領(lǐng)VCSEL及其相關(guān)市場(chǎng)的主體；但是，VCSEL在新的應(yīng)用領(lǐng)域卻有著更廣泛的應(yīng)用，如紅外照明、泵浦光源和工業(yè)加熱。近年來(lái)，VCSEL在3D傳感、LiDAR、VR/AR技術(shù)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展，并且已經(jīng)拓展到物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，如圖15所示[102]。

圖15 VCSEL的應(yīng)用[102]

近幾年，消費(fèi)者市場(chǎng)對(duì)用于照明和傳感的VCSELs的興趣日益濃厚，尤其是用于3D傳感和3D圖像捕捉。對(duì)于這些應(yīng)用，通常感興趣的波長(zhǎng)范圍是830～950 nm，功率級(jí)別從幾毫瓦到數(shù)百瓦不等。上述應(yīng)用都是基于飛行時(shí)間(Time-of-flight，ToF)和連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)結(jié)構(gòu)光相結(jié)合的深度傳感系統(tǒng)。而這些應(yīng)用所采用的VCSELs光源具有較窄的頻譜及對(duì)低溫的依賴，使得使用更窄的濾波器成為可能，因此具有更好的信噪比性能。

自iPhone X臉部辨識(shí)啟動(dòng)3D傳感應(yīng)用后，市場(chǎng)對(duì)3D傳感產(chǎn)生了巨大的興趣。目前，智能手機(jī)的3D傳感解決方案包括結(jié)構(gòu)光和ToF法，采用VCSEL陣列光源在臉部投射數(shù)萬(wàn)個(gè)紅外光的光點(diǎn)，經(jīng)過(guò)紅外攝像頭再接收從臉部反射回來(lái)的紅外光線，以創(chuàng)建3D人臉模型。2017年上市的智能手機(jī)iPhone X采用超過(guò)500像素的VCSEL，其峰值功率為3 W[103]。2018年，德國(guó)歐司朗公司在臉部識(shí)別領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了尺寸僅為1.9 mm×2.2 mm×0.85 mm的940 nm VCSEL陣列，輸出功率達(dá)到300 mW，照明角度為65°×78°[104]。面部識(shí)別是當(dāng)今3D傳感的主要應(yīng)用，但不是唯一的應(yīng)用。

3D傳感技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域也變得越來(lái)越重要，無(wú)論是在車(chē)外還是車(chē)內(nèi)。在戶外，正在研究的LiDAR就是一種固態(tài)的3D激光掃描系統(tǒng)，用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)探測(cè)車(chē)輛周?chē)奈矬w并繪制它們的距離。尤其是基于ToF深度傳感的Flash LiDAR，在汽車(chē)領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥?lái)的發(fā)展趨勢(shì)。Flash LiDAR系統(tǒng)結(jié)合了一個(gè)探測(cè)器陣列，其每個(gè)像素都測(cè)量視場(chǎng)部分的返回時(shí)間，以便提供距離信息。用于該應(yīng)用的VCSEL陣列必須支持具有窄脈沖寬度和極低占空比的脈沖操作，其峰值功率需要達(dá)到數(shù)十瓦甚至數(shù)百瓦，以確保足夠大的安全探測(cè)距離，同時(shí)確保眼睛安全。2016年，美國(guó)Trilumina公司研制了用于車(chē)載LiDAR的905 nm高功率VCSEL陣列，峰值功率達(dá)到80 W[105]。2018年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)發(fā)了910 nm高功率VCSEL陣列，峰值功率達(dá)到100 W[106]。2020年，Trilumina公司進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了高功率VCSEL產(chǎn)品，包括100 W準(zhǔn)連續(xù)輸出照明器應(yīng)用于短到中程的車(chē)載LiDAR和600 W閃光照明器應(yīng)用于長(zhǎng)程的車(chē)載LiDAR[107]。

另外，對(duì)于應(yīng)用其他領(lǐng)域的LiDAR 的ToF傳感器件，如發(fā)射器、接收器和驅(qū)動(dòng)器，仍需要簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本和減小尺寸，并提高其輸出功率和靈敏度。2018年，日本京都大學(xué)研制了雙晶格光子晶體VCSEL單管器件，實(shí)現(xiàn)了小于0.3°的對(duì)稱窄發(fā)散角光束，峰值功率達(dá)到10 W[108]。2020年，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)和韓國(guó)先進(jìn)納米制造中心聯(lián)合研制了集成GaN基高電子遷移率晶體管和基于GaAs基940 nm VCSEL的異質(zhì)集成器件，具備了高分辨率3D真實(shí)世界成像的潛力[109]。2020年，中國(guó)瑞識(shí)科技專為應(yīng)用于小型移動(dòng)設(shè)備的LiDAR研制的VCSEL陣列，實(shí)現(xiàn)了1 ns脈沖驅(qū)動(dòng)下，超過(guò)100 W的峰值功率，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到54%[110]。

此外，近紅外 “智能照明系統(tǒng)”在提高成像傳感器的性能和效用方面越來(lái)越受歡迎。該系統(tǒng)是底反射的VCSEL器件與集成的微透鏡進(jìn)行結(jié)合，不僅提供最佳的照明模式，而且可根據(jù)該系統(tǒng)的反饋信息，主動(dòng)跟蹤成像系統(tǒng)感興趣的區(qū)域或?qū)ο?，如圖16所示[105]。整體的照明模式是通過(guò)將激光陣列細(xì)分為若干子陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)子陣列都有一個(gè)微透鏡組合，而這些子陣列的偏移量計(jì)算為從子陣列中的VCSEL器件提供的照明場(chǎng)。每個(gè)子陣列將通過(guò)安裝子獨(dú)立尋址系統(tǒng)，來(lái)控制其開(kāi)關(guān)，并且輸出強(qiáng)度由系統(tǒng)處理器控制。每個(gè)子陣列都是照明成像系統(tǒng)整體視場(chǎng)的一部分。子陣列可以組合起來(lái)照明系統(tǒng)視場(chǎng)的較大部分，包括在需要時(shí)打開(kāi)所有子陣列，或者從大視場(chǎng)中對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行初始識(shí)別。采用“智能照明系統(tǒng)”的3D攝像頭將是VCSEL下一個(gè)有吸引力的應(yīng)用。從2019年開(kāi)始，汽車(chē)上的3D攝像頭系統(tǒng)將成為車(chē)艙內(nèi)駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)。2020年，美國(guó)Trilumina公司在3D攝像頭方面開(kāi)發(fā)了直接封裝到電路板上的VCSEL器件，連續(xù)輸出達(dá)到3 W和4 W[107]。同時(shí)，該公司又研制了8 W準(zhǔn)連續(xù)輸出的VCSEL陣列模塊，可應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)部監(jiān)控、手勢(shì)識(shí)別、ADAS[108]。

圖16 智能照明概念的例子[105]

2019年，全球VCSEL市場(chǎng)價(jià)值為16.67634億美元[111]。預(yù)計(jì)將從2020年的十多億美元增長(zhǎng)到2025年的二十多億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為23.7%[112]。由于VCSEL在新應(yīng)用領(lǐng)域的需求不斷增長(zhǎng)，市場(chǎng)有望實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的增長(zhǎng)。消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車(chē)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的最新技術(shù)的進(jìn)步，將推動(dòng)VCSEL市場(chǎng)的增長(zhǎng)，以滿足對(duì)先進(jìn)產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求。

在預(yù)測(cè)期內(nèi)，多模式輸出的VCSEL(高速、高功率)預(yù)計(jì)將占據(jù)VCSEL的大部分市場(chǎng)份額。由于許多公司，如中國(guó)電信、美國(guó)Apple、歐洲的Interxion等，在其數(shù)據(jù)中心的全球擴(kuò)張上進(jìn)行了大量投資，用于短距離的高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚賄CSEL的需求預(yù)計(jì)將在預(yù)測(cè)期間以顯著速度增長(zhǎng)。同樣，消費(fèi)電子產(chǎn)品中3D傳感的集成和激光雷達(dá)系統(tǒng)中高功率VCSEL的使用預(yù)計(jì)將在預(yù)測(cè)期內(nèi)推動(dòng)VCSEL的市場(chǎng)。

6 結(jié) 論

本文首先回顧了VCSEL的研究歷程和性能優(yōu)勢(shì)。隨后針對(duì)VCSEL在功率、高速、高溫穩(wěn)定的性能方面展開(kāi)介紹。高功率VCSEL的輸出性能在保持良好的光束質(zhì)量的同時(shí)，功率水平在幾百毫瓦到幾千瓦之間，裕度達(dá)到了4個(gè)數(shù)量級(jí)，在紅外照明、泵浦光源、工業(yè)加熱、LiDAR以及3D傳感等應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于高速VCSEL的研究，其改進(jìn)依然集中于提高帶寬，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制帶寬接近35 GHz、傳輸速率超過(guò)50 Gbps?；谙冗M(jìn)的調(diào)制格式(如PAM4、CAP、DMT等)和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)(如DSP、WDM、FFC、脈沖整形等)實(shí)現(xiàn)了基于VCSEL的光鏈路更高的調(diào)制速率。在高溫環(huán)境下工作，穩(wěn)定的高溫性能是一個(gè)重要的關(guān)鍵特性，這需要從VCSEL芯片表面刻蝕微結(jié)構(gòu)及增益失諧設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)CSAC光源，VCSEL已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單頻輸出功率達(dá)到100 mW。而在OI技術(shù)上的應(yīng)用，VCSEL在高溫下仍能完成60 Gbps無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸。并且新結(jié)構(gòu)、新材料和新技術(shù)的引入進(jìn)一步地提高了VCSEL的輸出性能，從而拓展了VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域。

VCSEL及其陣列開(kāi)辟了一個(gè)并行的微光學(xué)世界，并為新型光電子系統(tǒng)的工業(yè)化做出了貢獻(xiàn)。本文介紹的應(yīng)用領(lǐng)域都是VCSEL未來(lái)發(fā)展的潛在方向。VCSELs具有生產(chǎn)效率高、可靠性高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用范圍較廣的光源。從數(shù)據(jù)通訊到智能傳感，VCSEL的應(yīng)用市場(chǎng)日益多樣化，其正在成為支持當(dāng)前和未來(lái)信息社會(huì)不可或缺的關(guān)鍵組件。