1.VCSEL的发展历史和优势
半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到广泛的应用，研究人员在边发射激光器( Edge Emitting Laser，EEL) 的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。因此，在1977年日本东京工业大学教授Klga提出了一种VCSEL的概念，并在1979年采用GaInAsP材料体系在77K温度下首次实现脉冲输出。VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。在这样的面发射半导体激光器结构中，光的输出端和器件底端都需要反射镜，而反射镜的高反射率对降低阈值电流密度起着非常巨大的作用。因此，人们针对高反射率的反射镜进行了各种研究，例如介质膜分布式布拉格反射镜( Distributed Bragg Reflectiors，DBR)、半导体DBR、复合反射镜以及金属膜反射镜等。GaAs材料体系的VCSEL从1983年开始研究到1986年实现低阈值的微腔操作，这期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。到了1988年VCSELs器件采用多层SiO2/TiO2介 质膜DBR首次实现了850nm的室温连续激射；然而，虽然数对介质膜DBR即可实现高反射率，但是这种结构不导电且散热性差，为了改进这一状况，1986年年首次实现了AlGaAs/GaAs DBR 的VCSEL器件，
诺基亚cdma>首饰加工技术由于p型AlAs/Al0.1Ga0.9AS DBR具有较高的势垒电阻，因此该器件只在n 侧使用半导体DBR，而另一侧反射镜采用Au/SiO2镜面组成。为了改进半导体DBR的势垒电阻问题，许多研究机构进行了报道，其中代表性的器件是采用高浓度Zn 掺杂的AlAs层制备p型DBR；此外，为了避免DBR的高势垒电阻问题，VCSEL器件采用光泵浦方式工作，或者减少一侧DBR的层数和一个外部输出耦合镜相结合，实现连续输出。而量子阱( Quantum Wells，QWs)和量子点( Quantum Dots，QDs)结构应用于VCSEL 的有源区域时，进一步提高了VCSEL输出性能。随后，VCSEL器件的深入研究展现了其本身所具有的独特优势，实现了高功率输出、高调制速率以及高温稳定等性能。与传统的EEL结构不同，VCSEL结构是由上下DBR、QWs、氧化孔径和上下金属电极组成，其有源区位于n型掺杂的DBR和p型掺杂的DBR之间，这种结构具有很多独特的优势：(１) 光束质量：VCSEL的出射光是从一个圆形对称的台面中出射，输出小发散角的圆型对称光斑，通过简单的光束整形系统，就可以实现低成本高效率的耦合；(２) 阈值低：由于VCSEL有源区的体积小，容易实现低阈值激射，甚至可以达到uA量级；(３) 无镜面损伤：VCSEL 的反射镜是外延生长的两个DBR，不存在激光腔面光学损伤问题；
如何自制软玻璃(４) 稳定性和可靠性：组成VCSEL的半导体材料折射率随温度变化很小，导致器件的激射波长温漂小，具有非常宽的工作温度范围；(５) 单纵模输出: VCSEL的谐振腔长度很短，即um量级，纵模间距较大，只在单纵模下输出，可以得到较大的弛豫振荡频率；(６) 大尺度二维阵列：VCSEL的出光方向垂直于基底，易于实现高密度二维阵列集成的大功率输出且低成本制造的晶圆测试。随着：VCSEL的
大口径以及二维阵列和多结的开发，VCSEL的输出功率有了显著的提高。针对高功率半导体激光器在激光泵浦、医疗、军事以及材料加工等应用领域的需求日益增长。高功率VCSEL成为很重要的一个研究方向。而且近年来：VCSEL在消费市场的应用越来越广泛，包括激光雷达(LiDAR)、距离传感、自动对焦、3D传感、虹膜识别、空气和水质检测以及虚拟现实( VR) /增强现实 ( AR) / 混合现实( MR) 等等，针对高功率VCSEL的需求也越来越大。同时，由于先进驾驶系统(AdvancedDriving Assistance Systems， ADAS)、云计算、物联网技术与5G通信技术等应用愈发成熟，信息的快速爆炸产生了对数据带宽大幅增长的需求，而VCSEL具有较大的弛豫振荡频率，可以实现高调制带宽，因此在光互连和光数据网络的应用中占据主导地位；而能应用于光互联、3D传感、车载雷达、原子钟等领域是由于VCSEL 的关键特性：稳定的高温性能和对温度变化不敏感，为满足这些应用需求，高温稳定工作、可靠性高的VCSEL近年来越来越受到关注。
2.高功率VCSEL的研究进展与应用
水泥砖制砖机>氮封装置在VCSEL发展之初，主要在降低阈值、扩大输出波长范围和高速调制等方面进行研究。直到1996年才对提高VCSEL输出功率方面展开了研究。高功率VCSEL器件最早是由德国乌尔姆大学开始研制，分别制备了顶发射和底发射的980nm VCSEL单管器件，室温下连续输出功率分别达到180mW和350mW；随后，美国加州大学伯克利分校制备了940nm VCSEL单管器件，连续输出功率达到 2W，脉冲输出功率达到5W；2001年德国乌尔姆大学报道了320um口径的VCSEL单管器件，980nm波长的
输出功率为0.89W，二维列阵器件达到1.55W；2005中科院长春光机所制作的500um口径VCSEL单管器件实现了室温连续输出，达到了1.95W；同年，美国普林斯顿光电公司采用金刚石散热片在直径350um器件上实现了连续输出达到3W；为了进一步提高功率，VCSEL阵列器件的开发成为人们关注的焦点，其中普林斯顿光电公司是目前最先进的，代表了高功率VCSEL的最高水平。2008年该公司在5mm×5mm的VCSEL阵列器件上实现了功率为45W的输出，如图1所示；随后，该公司设计了单元更加紧凑的VCSEL阵列，在热沉温度为 15℃下，连续输出功率达到231W，脉冲输出达到数千瓦，实现了国际最高水平。
便携式鱼缸图1：980nm 高功率VCSEL阵列 808nm波长的VCSEL首次由英国威尔士卡迪夫大学在1999年提出，但是由于GaAs材料体
系对808nm波长有强烈的吸收，因此808nm波长的高功率VCSEL器件在早期一直未得到实现。直到2009年，美国普林斯顿光电公司将VCSEL芯片衬底完全去除并焊接在金刚石热沉上，在3mm×3mm芯片上集成了3000 个发光单元形成VCSEL阵列，连续输出功率超过58W；为了进一步提高功率，该公司制作出尺寸为5mm ×5mm的VCSEL面阵，连续输出功率超过120W，之后，该公司集成了多个该VCSEL面阵列实现连续输出功率超过650W；2011年，该公司使用12块2.7mm×2.7mm的VCSEL 阵列实现了500W的准连续输出；随后，又将该模块的输出功率提高到1.2KW；2012年，该公司设计了VCSEL圆形阵列，峰值输出功率为810WＷ，如图 2所示；2017年，该公司又研制了
峰值功率高达2.3KW的VCSEL阵列。
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