1977年，日本東京工業大學的伊賀健一(KenichiIga)提出VCSEL的概念，VCSEL是垂直腔面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的簡稱，是一種半導體激光器，其光學諧振腔與半導體芯片的襯底垂直，能夠實現芯片表面的激光發射。與一般用切開的獨立芯片制程、激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同，典型的VCSEL 為頂發射結構。金鑒實驗室致力于提供專業的VCSEL激光器測試服務，確保您所選擇的激光器符合行業標準與性能要求。

VCSEL主要由三部分組成，即激光工作物質、崩浦源和光學諧振腔。工作物質是發出激光的物質，但不是任何時刻都能發出激光，必須通過崩浦源對其進行激勵，形成粒子數反轉，發出激光，但這樣得到的激光壽命很短，強度也不會太高，并且光波模式多，方向性很差。所以還必須經過頂部反射鏡(Top Mirror)和底部反射鏡( Bottom  Mirror)組成的諧振腔，在激光腔(Laser Cavity)內放大與振蕩，并由頂部反射鏡(Top Mirror)輸出，而且輸 出的光線只集中在中間不帶有氧化層(Oxide Layers)的部分輸出。這樣就形成了垂直腔面的激光發射，從而得到穩定、持續、有一定功率的高質量激光。結構示意圖如下圖所示：

VCSEL的發光原理：VCSEL常用的原材料有砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發光化合物半導體。襯底方面，不同材料襯底厚底不同，但總體厚度約100-150um,在制作時保留300-600um厚，方便機器手抓取。外延方面，共200多層，總厚度才8-10um（包括諧振腔），外延片不能太厚，主要原因是MOCVD烤爐的時間效率（10um需要烤10小時）及偏差（越高越容易走形）考慮。VCSEL與其它半導體激光發光原理一樣，首先要實現能量激發，通過外加能量激發半導體的電子由價帶躍遷到導帶，當電子由導帶返回價帶時，將能量以光能的型式釋放出來。然后依靠上下兩個DBR反射鏡和增益物質組成的諧振腔實現共振放大，諧振腔使激發出來的光在上下兩個DBR反射鏡之間反射（諧振腔長200nm，來回幾千次后，總路徑可長達4mm），不停地通過發光區吸收光能，使受激光多次能量反饋而形成激光。

從1960年人類首次制造出激光器并成功發射激光開始，人們認識到了激光重要特性和激光器的廣泛應用前景。從此，激光器的研究受到世界各國科學家和科研愛好者的青睞。針對VCSEL激光器，金鑒實驗室可對其進行了不同層面的檢測。

一、VCSEL激光器主要性能參數：

金鑒實驗室深知這些原理對于檢測的重要性，因此在對 VCSEL 激光器進行檢測時，從多個關鍵參數入手，確保全面評估激光器的性能。

1.正向電壓VF：指激光器工作在一定前向驅動電流的條件下（一般為Ith+20mA）對應的正向電壓值，包括激光器的帶隙電壓VBG及等效串聯電阻的壓降I*RL。

2.P-I特性曲線、轉換效率：指激光器總的輸出光功率P與注入電流I的關系曲線，曲線的斜率是激光器電光轉換效率SE(mW/mA)，它是激光器的量子效率與器件耦合效率的乘積。是衡量泵浦電流和發射光功率之間的線性關系，一般當電流變大，發射光功率也隨之變大，所以單位為mW/mA。

典型的激光器P-I曲線

由P-I曲線可知，LD是閾值型器件，隨注入電流的不同而經歷了3個典型階段： 

當注入電流較小時，有源區里不能實現粒子數反轉，自發輻射占主導地位，LD發射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態類似于一般的發光二極管。

隨著注入電流的加大，有源區里實現了粒子數反轉，受激輻射開始占主導地位，但當注入電流仍小于閾值電流時，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內建立起一定模式的振蕩，LD發射的僅僅是較強的熒光，稱為“超輻射”狀態。

只有當注入電流達到閾值以后，才能發射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現單峰（或多峰）。

3.光束發散角：發散角越小，越容易與光纖及其他光學元件耦合且效率越高。金鑒實驗室通過精確測量這一參數，為客戶提供關于激光器在光學系統集成方面的可行性評估，確保其能夠滿足實際應用中的需求。

VCSEL輸出光束的遠場分布如上圖所示，遠場光束發散角為6.6°

4.峰值波長：光譜中若干發射模式中最大強度的光譜波長。

5.線寬：激光某一單獨模式下的光譜寬度，光譜儀可測試，一般表達形式：nm，Hz，cm-1。該參數與激光本身的波長有關。

6.漏電流IR：漏電流大小對激光器的光均勻性影響很大，因此是衡量激光器件好壞的重要參數。

7.閾值電流：指激光器由自發輻射轉換到受激輻射狀態時的正向電流值，它與激光器的材料和結構相關。值得注意的是高溫下閾值電流通常會增大，所以模塊的溫補偏置和調制電流通常是增大的。閾值電流可以通過LIV曲線來測量。

8.均勻性：指激光器出光的均勻性，一般用近場方式測試。

VCSEL的近場分布圖（曲線 abc表示不同VCSEL激光器）

9.溫度-波長漂移：溫度對激光器結構的影響可以分為三個部 分: 一是溫度的升高使得整個諧振腔材料膨脹，整個腔的物理長度發生變化； 二是腔內的空間層和 有源層的折射率隨溫度變化，導致整個腔的光學 長度發生了變化； 三是分布布拉格反射鏡( DBR) 隨溫度而變化，導致中心波長發生微小的變化，但由于DBR反射帶寬較寬，不影響整個器件性能。以上因素共同作用，最終將導致腔模發生漂移。

不同溫度條件下的中心波長變化曲線

二、VCSEL激光器結構

聚焦離子束(FIB)與掃描電子顯微鏡(SEM)耦合成為FIB-SEM雙束系統后，通過結合相應的氣體沉積裝置，納米操縱儀，各種探測器及可控的樣品臺等附件成為一個可分析VCSEL芯片的常用設備。金鑒實驗室通過FIB獲取芯片膜層剖面對各膜層檢查以及厚度的測量檢測工藝穩定性。

金鑒實驗室在 VCSEL 激光器的性能參數檢測和結構檢測方面擁有豐富的經驗和專業的技術能力。無論是從激光器的基本電學特性到光學性能，還是從芯片內部結構到工藝穩定性，金鑒實驗室都能夠提供全面、精確的檢測服務，幫助客戶挑選到優質的 VCSEL 激光器，推動相關領域的技術發展和應用創新。