定义
包含许多VCSEL激光发射器的阵列。
VCSEL是一种垂直腔体表面发射激光器 - 一种垂直于晶圆表面方向发射的激光二极管 - 与更常见的边缘发射半导体激光器相反。这种激光只能在毫瓦区域产生相当中等的功率。然而，可以在公共半导体芯片上制造包含许多此类VCSEL的二维阵列，并利用这些阵列的组合发射。然后，人们可以获得几瓦，几十瓦甚至几百瓦，这取决于使用的发射器的数量。因此，包含数千个发射器的2-D VCSEL阵列可以与二极管条竞争，甚至可以与基于边缘发射半导体激光器的二极管堆栈竞争（组合多个阵列）。
VCSEL技术天然适用于晶圆级生产。
与单发射器的制造相比，生产过程（通常使用MOCVD和光刻）非常相似。只有少数与电气连接相关的额外制造步骤。生成的阵列的外部形状通常是矩形的，但其他形状（例如三角形）同样是可能的。例如，发射器可以以正方形或六边形模式排列。
通常，单个发射器的直径在5 μm和20 μm之间，输出功率在几毫瓦到几十毫瓦之间。发射器的间距（间距）有时在制造方面尽可能接近，但在其他情况下要大得多，例如用于限制热量产生的密度。例如，对于有源直径为8 μm的发射器，可以使用40μm的间距。这种芯片的面积例如5毫米2可产生约10 W的输出功率。
请注意，边缘发射器适用于一维阵列（=二极管条），但几乎不适用于二维阵列，而VCSEL可以非常自然地制成具有晶圆级制造的2D阵列。因此，它们在低成本制造方面具有巨大的潜力。
具有多个 VCSEL 阵列的程序集
对于某些应用，数十个这样的VCSEL阵列并排安装在水冷支架上，该支架提供电气连接和冷却。通常，阵列串联电连接以限制所需的电流。这种总发射面积为几平方厘米的设备可能会发射数百千瓦的功率，而较大的设备甚至可以产生数千瓦的功率。与发射器保持一定距离的光学强度在大面积上可以相当均匀。
输出功率和光束质量;有效冷却的重要性
VCSEL区域的总输出功率只是所有发射器的输出功率之和。但是，如果达到冷却系统的极限，则可能必须降低每个VCSEL的发射，因为许多VCSEL的总耗散功率和热功率密度可能很大（通常为每厘米数百瓦特）2).通过增加发射器之间的间距可以使冷却更容易 - 但是这会降低光束质量，如下所述。
单个VCSEL的光束质量可能非常高 - 接近衍射极限。当针对高输出功率优化此类设备时，光束质量可能不再完美。然而，更重要的是，当组合多个VCSEL时，可以有效地获得具有相应增加发射面积的激光源;该面积大大超过发射器的数量乘以单个发射器的面积，因为发射器之间需要一些间距。同时，如果发射不协调（不相干），则光束发散仍然是单个发射器的发散，并且像往常一样。结果，光束参数乘积和M2因素，这是光束质量的指标，大大增加。
因此，原则上，只需增加发射器的数量，就可以放大输出功率（“功率缩放”），但同时降低光束质量。因此，人们不应该认为这种方法是真正的幂缩放;辐射度（亮度）没有增加，通常保持在50千瓦/（厘米）的数量级2）。
为了优化光束质量和辐射，可以使用不同的方法：
- 可以最大化每个单个发射器的发射，因此需要少量的发射器，并且相应地减小总发射面积。单个发射器的光束质量的降低仅在光束发散增加时才有意义。
- 人们将尝试最大化每个发射器的功率转换效率，从而减少产生的热量。
- 可以尝试最小化发射器的间距。这种方法基本上受到冷却效果的限制，至少对于连续波操作而言。下一节将介绍改进该方面的方法。
- 人们可以尝试通过使用光学反馈来获得相干发射，下面也将进一步解释。
有效冷却的方法
高效冷却器
通过使用具有特别高导热性的材料，可以有效地将热量从表面传导出去。特别是，人们经常使用人造金刚石加热器撒布器。由于它们是透明的，它们有时甚至可以附着在发光表面上。散热器可与微通道冷却器结合使用。
变薄基材
在传统类型的设计中，发射被引导远离外延侧，并且通常必须在背面进行冷却，因此基板的热阻是一个问题。这可以通过使用尽可能薄的基板或在外延过程后将其变薄来减少。
底部发光的透镜
至少对于较长的工作波长，也可以制造VCSEL，其不会垂直远离芯片，而是以相反的方向发射，即从外延侧进入基板。然后在底部获得输出光束，对其进行抛光并获得减反射涂层，以最大限度地减少功率损耗。然后，顶部可用于有效冷却，热源和冷却介质之间的热阻最小。
然而，一个缺点是半导体衬底中的光吸收会损失光功率，这需要掺杂（通常是n掺杂）以承载电泵电流。因此，还需要尽可能减少基板厚度，例如150μm。
变频器阵列的效率
VCSEL阵列的功率转换效率通常为50%，与许多边缘发射高功率激光二极管大致相当。然而，其中一些阵列的效率远远超过70%[1]，而VECSEL阵列目前在976 nm处的效率限制在63%左右[5]。
也可以在较高温度下操作（例如，外壳为50°C），但效率略低。
如果强制执行具有特别高光束质量的操作，则效率通常也会降低。
脉冲操作
在纳秒至微秒脉冲持续时间的脉冲操作中，可以实现相当高的峰值功率。即使在脉冲操作中，器件的可靠性也可能很高：由于中等光学强度，通常不会发生灾难性光学损坏（COD） - 它们通常远低于边缘发射激光器中的光损伤，其中可实现的峰值功率受COD限制在不高于连续波输出功率的值。
脉冲操作对于泵浦具有低脉冲重复率的Q开关固态激光器特别有用。在这里，泵送持续时间通常为几百微秒。然而，人们也可以考虑使用更短的脉冲持续时间（例如几纳秒）进行飞行时间测量，其中高峰值功率通常至关重要。
发射线宽和温度系数
单个VCSEL的发射线宽可以非常小 - 远低于1 nm。原则上，整个VCSEL阵列的线宽可以同样小，前提是所有发射器都以完全相同的波长工作。这需要在生产过程中实现高均匀性，此外还需要充分均匀的温度分布。
VCSEL的发射波长通常比边缘发射激光二极管的温度依赖性低几倍 - 对于基于GaAs的器件，通常约为0.065 nm / K。这是因为发射波长基本上由腔体共振决定，而不是由增益最大值决定，并且腔体共振的温度系数要小几倍。它们仅受折射率的温度依赖性的影响，而不受涉及费米分布的载流子密度的影响。
请注意，发射波长在脉冲产生过程中可能会漂移，其中废热积聚在相对较小的体积中，需要一些时间才能去除。
使用微透镜阵列进行光束准直
图 1：VCSEL 阵列输出的准直。
一些应用需要通过使用微透镜阵列来减少光束发散，其中每个发射器都有自己的透镜（见图1）。这可以促进光束的进一步处理，例如使用额外的大透镜聚焦到小点。
可以使用单独制造的透镜阵列，该阵列需要精确地对准VCSEL阵列，也可以直接在半导体芯片上制造微透镜。
带外部谐振器的相干发射
通常，不同的VCSEL以独立且因此不协调的方式发射，即没有相互一致性。即使只考虑相当短的平均时间，也可以简单地将不同发射器的强度分布相加，忽略任何干扰效应。因此，光束参数积很大，因为通过组合许多发射器来增加发射面积，而发散角保持不变。
如果所有VCSEL的发射都可以基于光学反馈相互相干，这种情况可能会发生深刻的变化。为此，人们通常会采用两种措施的组合：
- 一种使用通用输出耦合器反射镜，该镜像可以放置在距离发射表面几毫米的地方。它可以是平坦的，也可以是弯曲的，这取决于热透镜的量以及光束质量与功率转换效率的优先级。
- VCSEL的顶部反射镜反射率大大降低，因此只有通过来自外部反射镜的光学反馈才能进行激光照射。
理想情况下，人们还使用适应性的VCSEL设计，具有最小的电流拥挤和空间孔燃烧效应，更容易被迫以低发散率运行。使用这种外腔VCSEL（EC-VECSEL），可以获得具有显着减少的光束发散的发射，例如，使人们能够将光发射到多模光纤中。在某些情况下，M2因素甚至接近 1，近似于 TEM00轮廓。然而，功率转换效率通常会受到严重损害 - 特别是在优化设备以获得最高光束质量时，但是，实现的辐射度可能会高出几个数量级（数百兆瓦/（厘米）2sr）） 而不是在发生不协调排放的情况下。
同时，发射线宽可能会减小，因为不同的发射极被暂时拉向共同的发射频率。
来自外部谐振器的另一种选择是腔内频率加倍，通过它可以实现大大提高的频率倍增效率。
用于变频器阵列的应用
VCSEL 阵列适用于泵浦固态激光器。由于它们的光束发散度相对较低，即使没有任何泵浦光学元件，它们有时也可以使用，这当然大大简化了激光设置。在其他情况下，可以使用具有简单泵浦光学器件的光纤耦合激光器。此外，发射波长的低温依赖性可能使温度稳定系统过时。即使是脉冲泵浦也很容易实现，例如，对于Q开关激光器，泵浦脉冲持续时间通常为几百微秒。
当利用腔内频率加倍时，可以泵浦更广泛的固态激光器，包括例如钛-蓝宝石激光器。
阵列不能达到特别高的辐射度，而只能达到很高的输出功率，可以应用于热材料加工 - 例如，用于热塑性零件的成型，用于碳纤维零件的生产，胶印，烧结工艺以及钢制零件的局部热处理。对于此类应用，不需要强烈聚焦产生的红外辐射。人们通常可以从平坦而平滑的强度曲线中受益，而无需额外的光束均质器即可实现。在某些情况下，可能仅在某些空间区域激活VCSEL阵列，以获得修改后的照明模式。
VCSEL可用于照明，例如在检测系统中，其中有限的光束质量通常无关紧要，而只是均匀照明。在某些情况下，快速调制照明强度的选项（甚至可能使用脉冲照明）可能非常有用。
具有少量发射器的阵列（通常可以独立寻址）用于光纤通信。
参考文献
[1] M. Kanskar et al., “73% CW power conversion efficiency at 50 W from 970 nm diode laser bars”, Electron. Lett. 41 (5), 245 (2005), doi:10.1049/el:20058260
[2] S. Riyopoulos, “Effects of nonlinear frequency pulling on the cavity phasing and the collective mode structure in phase-locked VCSEL arrays”, J. Opt. Soc. Am. B 23 (2), 250 (2006), doi:10.1364/JOSAB.23.000250
[3] S.-F. Seurin et al, “High-power high-efficiency 2D VCSEL arrays”, Proc. SPIE Vol. 6980, 690808 (2008), doi:10.1117/12.774126
[4] Z. Wang et al., “High power and good beam quality of two-dimensional VCSEL array with integrated GaAs microlens array”, Opt. Express 18 (23), 23900 (2010), doi:10.1364/OE.18.023900
[5] D. Zhou et al., “Progress on vertical-cavity surface-emitting laser arrays for infrared illumination applications”, Proc. SPIE Vol. 9001, 90010E (2014), doi:10.1117/12.2040429
[6] D. Zhou et al., “Progress on high-power, high-brightness VCSELs and applications”, Proc. SPIE 9381, 93810B (2015), doi:10.1117/12.2080145
[7] F. E. Doany et al., “Terabit/sec VCSEL-based 48-channel optical module based on holey CMOS transceiver IC”, J. Lightwave Technol. 31 (4), 672 (2013), doi:10.1109/JLT.2012.2217938
[8] B. Redding et al., “Full-field interferometric confocal microscopy using a VCSEL array”, Opt. Lett. 39 (15), 4446 (2014), doi:10.1364/OL.39.004446
[9] A. Malacarne et al., “Optical transmitter based on a 1.3-μm VCSEL and a SiGe driver chip for short-reach applications and beyond”, J. Lightwave Technol. 36 (9), 1527 (2018), doi:10.1109/JLT.2017.2782882
