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垂直腔面发射激光器

更新时间：2026-07-24 08:25:38 大小：16K 上传用户：江岚查看TA发布的资源 标签：激光器 下载积分：2分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

基本定义与核心特征

**垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，音译为“维塞尔”）**是一种半导体激光器，其核心特征在于激光沿着垂直于晶圆衬底表面的方向射出，与传统的沿平行衬底方向出光的边发射激光器形成鲜明区分。这种特殊的出光方向设计，让VCSEL拥有了边发射激光器不具备的诸多优势，成为当前短距离光通信、3D传感、激光雷达等领域的核心光电子器件。

从结构上看，VCSEL的激光谐振腔垂直于芯片表面，有源增益区位于两个分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR）之间，上下两个DBR分别作为输出腔镜和高反腔镜，光在两个反射镜之间往返振荡放大，最终从芯片表面垂直输出。这种结构决定了VCSEL天然具备圆形对称的输出光斑，光束质量远优于边发射激光器的椭圆形光斑，更便于和光纤、光学系统进行耦合。

核心结构组成

VCSEL的基本结构从下到上依次为：衬底、下DBR反射镜、n型限制层、有源增益区、p型限制层、上DBR反射镜、p型接触层、电极，不同结构承担不同功能：

1. 分布式布拉格反射镜（DBR）：是VCSEL最核心的结构单元，由两种不同折射率的半导体材料交替生长形成，每一层的光学厚度为四分之一波长，通过多层界面的反射光叠加实现极高的反射率（通常可达99%以上）。由于VCSEL的有源区长度非常短（通常仅为几十纳米到几百纳米，远小于边发射激光器的几百微米增益长度），因此需要极高反射率的腔镜来降低阈值增益，保证激光振荡。下DBR通常为全高反设计，反射率超过99.5%，上DBR作为输出腔镜，反射率略低（通常95%-99%），用于输出激光。

2. 有源增益区：是产生光增益的核心区域，通常采用多量子阱结构，将发光材料夹在势垒材料之间，通过载流子注入实现受激辐射。常见的材料体系对应不同的发射波长，比如GaAs/InGaAs体系对应850nm、940nm近红外波段，InP体系对应1310nm、1550nm通信波段，GaN体系对应可见光波段。

3. 电流限制结构：用于将注入电流限制在芯片中心的小区域内，降低阈值电流，提高电光转换效率。常见的电流限制结构包括氧化物限制型、离子注入型、掩埋异质结型等，其中氧化物限制型VCSEL是当前商业化应用最广泛的结构，通过湿法氧化将AlGaAs材料转化为绝缘的氧化铝，仅中心区域允许电流通过，工艺简单且限制效果好。

4. 电极结构：通常为n电极做在衬底背面，p电极做在上表面中心区域，留出中心出光窗口，方便激光输出。