VCSEL的案例
VCSEL和VCSEL陣列仿真
垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 是一種上升的技術，以其可靠性和波長穩定性以及發射光束的良好質量而聞名。 出于這個原因，它們通常用于各種應用，例如 分束器和圖案的生成。
在 VirtualLab Fusion 中，新引入的多光源允許定義單個 VCSEL 和整個 VCSEL 陣列。
兩種不相關Laguerre模式對 VCSEL 光源的建模
本文檔演示了如何在多光源的幫助下通過兩個不相關的高斯模式的參數優化來實現特定 VCSEL 源的所需強度分布。
垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
本文檔演示了如何在 VirtualLab Fusion 中對 VCSEL 陣列源進行建模。
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垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 是一種上升的技術，以其可靠性和波長穩定性以及發射光束的良好質量而聞名。 出于這個原因，它們通常用于各種應用，例如 分束器和圖案的生成。
在 VirtualLab Fusion 中，新引入的多光源允許定義單個 VCSEL 和整個 VCSEL 陣列。
兩種不相關Laguerre模式對 VCSEL 光源的建模
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垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 是一種上升的技術，以其可靠性和波長穩定性以及發射光束的良好質量而聞名。 出于這個原因，它們通常用于各種應用，例如 分束器和圖案的生成。
在 VirtualLab Fusion 中，新引入的多光源允許定義單個 VCSEL 和整個 VCSEL 陣列。
兩種不相關Laguerre模式對 VCSEL 光源的建模
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垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
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展開 進擊的國產VCSEL芯片廠
和其他很多芯片一樣，VCSEL同樣是一個幾乎被歐美日三個地區的廠商壟斷的領域。
以蘋果為例，他們在iPhone X上采用了Lumentum的VCSEL，后來市場傳出蘋果投資了Finisar，扶植另一家供應商，另外II-V和ams也是都是VCSEL領域的不可忽略的角色。其他如博通、住友電工，也都在VCSEL市場擁有不少的領先份額。
他們拿下了全球大部分的VCSEL供應，這主要與VCSEL的制造工藝本身和他們自身在這上面的多年積累有關。我們看現在那些VCSEL做得好的供應商，基本上都有自己的工廠，或者代工廠在相關產品生產上有悠久的歷史，也就是說對制造有很高的需求。而從VCSEL的整個供應鏈上看，也的確如此。
例如在磊晶方面，英國的IQE就以高達五成的市占位居第一位，來自臺灣的全新則以20%的份額緊隨其后；日本的Sumika則是目前全球少數可量產六吋磊晶的廠商，全球市占17％。對于國內的VCSEL廠來說，在這關鍵的方面，如何保證這個方面的來源，是他們能夠進一步發展的關鍵。
至于技術方面，睿熙科技首席執行官James Liu在接受麥姆斯咨詢采訪的時候也提到VCSEL制造的挑戰，現摘錄如下：
VCSEL綜合了半導體材料、激光物理、半導體制造工藝、高速射頻電子和光學技術等學科。不僅芯片結構復雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高兩個數量級的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。在VCSEL制備的過程中，應力及制造過程導致的晶體缺陷產生概率也遠高于硅基光電芯片。并且，VCSEL芯片在工作狀態時，其單位體積承受的電流密度要大幅高于硅基光電芯片，這就意味著VCSEL要承受更大的光強和電流。
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iPhone引爆VCSEL市場，2023出貨量將達33億顆
來源：新電子
自從蘋果(Apple)將臉部辨識導入智慧型手機應用(Face ID)之后，帶動垂直共振腔面射laser(VCSEL)需求上揚；而蘋果將于9月發布的新款iPhone，市場消息指出仍具有臉部辨識功能，驅使VCSEL出貨量將有增無減。對此，市調機構Yole Développement指出，在未來五年，VCSEL將持續維持爆炸式的成長，其商業機會將成長10倍以上，2017年至2023年年均復合增長率(CAGR)將達31% ，而市場規模預計從2017年的6.52億顆攀升至2023年的33億顆。
Yole技術與市場分析師Pierrick Boulay表示，2017年，Apple發布基于VCSEL技術的iPhone X；iPhone X采用三顆不同的VCSEL裸晶用以實現Face ID和近距離感測，驅使2017年的VCSEL市場呈現爆炸式增長，整體營收達到3億3千萬美元。
Yole指出，數據通訊為首個整合VCSEL的工業應用，與邊射型laser(Edge Emitting Laser, EEL)相比，VCSEL功耗較低且價格也較具優勢，因此適用于短距離資料通訊；在資料中心發展的推動下，VCSEL市場在2000年代隨著網路的普及而蓬勃發展，然后開始穩步增長。一直到2014年VCSEL才開始進入消費性手機市場，而2017年獲iPhone X采用后，便呈現爆炸式成長。
另一方面，在iPhone X發布3D感測應用后，其余智慧手機品牌也相繼跟進，開始整合3D感測技術，如小米和Oppo于2018第二季推出的Mi8和Oppo Find X手機便整合VCSEL元件；至于華為、Vivo或三星等業者，也計畫在2019年將VCSEL整合到旗下的旗艦機型中。
展開 Lumerical案例 | 垂直腔面發射激光器(VCSEL)結構導入、反射率和冷腔模擬
反射率分析：為了計算整個VCSEL結構的反射率光譜，必須在VCSEL求解器“General”選項卡中的“reflectivity structure group”選項中選擇“All”。如果對某個子組的反射率感興趣，則必須在“reflectivity structure group”選項中選擇該子組。反射率分析的波長范圍以及入射角可以在VCSEL求解器“Reflectivity”選項卡中設置。反射率分析結果可以在分區后或運行模擬后進行可視化。
圓柱軸：由于VCSEL求解器支持圓柱對稱的VCSEL，因此在VCSEL求解器“Optical”選項卡下的“General”選項卡中正確設置圓柱對稱軸非常重要。模擬區域也必須正確設置，以使對稱軸與VCSEL軸相對應。
波長/頻率：執行本征模分析時，“Optical”選項卡下的“Model Analysis”選項卡要求輸入單個波長/頻率值，以及計算中需要考慮的、圍繞所選值的特征模數量。用于本征模計算的波長/頻率應設置為接近VCSEL的預期工作波長。使用偶極子源運行仿真時，“Model Analysis”選項卡中的輸入對應于偶極子源的波長/頻率范圍。
傅里葉分量的數量：雖然使用2-3個傅里葉分量通常就足夠了，但用戶可以設置更多的傅里葉分量來檢查腔體模式和不同偶極子位置和方向的腔體響應。
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展開 VCSEL市場再添強大玩家，歐司朗正式入局
在蘋果iPhone X的帶動下，市場上對VCSEL的關注度日益增加，VCSEL結合了兩種照明技術的顯著優勢，既有IRED的高功率密度和簡單封裝方式，也同時具備雷射的光譜寬度和開關速度。VCSEL芯片在終端應用中更易于安裝，可以使用LED的現有封裝，也可以用作陣列(每顆VCSEL芯片由數百個單獨的發光孔組成)。這就吸引了眾多廠商的加入，光電大廠歐司朗也投身其中。
日前，歐司朗宣布推出首款VCSEL產品「Bidos PLPVQ 940A系列」，該系列產品主要針對包括3D感測在內的創新應用領域，像是手機臉部辨識、機器人、無人機、擴增時性(AR)和虛擬實境(VR)等。
歐司朗光電半導體紅外/雷射器/感測器事業部市場經理Bianka Schnabel表示，與其他紅外線技術相比，VCSEL的光束品質、聚焦更好，體積也更小，目前該公司的紅外線產品組合包括IRED 、邊射型雷射以及VCSEL，客戶可依其應用需求選擇合適的解決方案。歐司朗的技術來源于幾個月前的一個收購。
今年五月，歐司朗宣布收購美國企業Vixar Inc.，進一步加強其在半導體光學安防技術領域的優勢。歐司朗是紅外LED和紅外激光二極管的技術領導者，通過引入Vixar在VCSEL（垂直腔面發射激光器）方面的專業技術，歐司朗將在該領域擁有更強的技術能力和產品組合。目前，VCSEL技術主要以其在移動設備身份識別上的應用為公眾所了解，同時該技術也能應用于醫療，工業和汽車領域，用于進行手勢識別和距離測量。
作為VCSEL領域的先鋒，Vixar公司的創始人早在九十年代末就已經首次將VCSEL技術引入數據通訊市場，更在2005年，于美國明尼蘇達州普利茅斯創立致力于傳感應用的Vixar公司。Vixar在營業額和凈利方面均收益良好。
展開 VirtualLab：垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
-用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
-使用VirtualLab Fusion仿真多光源
展開 VirtualLab：垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
-用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
-使用VirtualLab Fusion仿真多光源
展開 VCSEL激光器原理，結構，工藝與熱計算（匯總長篇）
1．2 VCSEL結構
圖4 VCSEL激光器結構
如圖4，該結構由鏡面，有源層和金屬接觸層組成，2個反射鏡分別為N型和P型DBR堆成的布拉格反射光柵。有源層由1~3個量子阱組成。有源區的兩側是限制層，一方面起限制載流子的作用，另一方面調節諧振腔的長度，使其諧振波長正好是所需要的激光波長。在襯底和P型DBR的外表面制作金屬接觸層，形成歐姆接觸，并在P型DBR上制成一個圓形光窗口，輸出圓形的激光束。
典型的氧化限制型VCSEL結構剖面如圖５所示，最上方為環型電極。向下依次為歐姆接觸層，上DBR，氧化限制層，量子阱有源區，下DBR，襯底及下電極。由構成氧化限制層。電流從正電極注入，通過氧化孔徑注入到有源區，滿足受激輻射的條件后，產生光增益，產生的光子經過上下DBR反射，并在上下DBR形成的諧振腔種形成穩定的駐波，使受激輻射不斷增強，激射光從反射率較小的DBR出射，穩定輸出光波。通常VCSEL 的DBR反射率接近100%，上DBR反射率相對較低。
圖５ 四種常見的VCSEL結構：（ａ）空氣柱型，（ｂ）氧化限制型，（ｃ）質子注入型（ｄ）掩埋異質結型
氧化物限制結構的意義在于：能較好的控制出光孔的面積和芯片尺寸，提高器件效率，并能很好的與光纖進行耦合。而且采用氧化物限制結構可以使器件閾值電流降至幾百uA，這樣要想達到1mW的輸出功率需要幾個mA的驅動電流。利用氧化物限制結構形成對電流和光場的限制，大大提高了器件的功率，同時又降低了器件的閾值電流，通過采用氧化物限制結構可以有效的控制在單芯片上制作大型，密集型VCSEL陣列工作時過熱的現象。除低閾值，高效率外，氧化物限制型結構取得成功的另一個因素是均勻性好。
展開 帶有VCSEL激光的光學傳感器有什么優勢？
這些光學傳感器技術依賴于先進的光源，例如基于激光的VCSEL(垂直腔面發射激光器)陣列來照亮場景或目標物體。
3D傳感器是VCSEL照明器的高要求應用。激光功能需要廣泛，包括以下特點:超短脈沖運行、定制化照明(如點陣圖形)、均勻掃描、可配置隨機光源陣列、窄光譜降低太陽光噪聲、高可靠性、高容量、低成本。VCSEL解決方案非常適合作為光源，以支持使用光學傳感器設備的3D傳感器應用所需的先進技術。
一、VCSEL激光用于光學傳感器有什么優勢？
與邊緣發射激光器和紅外led等傳統技術相比，快速尖端的VCSEL傳感器解決方案具有許多優勢:
1.低功耗
幾毫瓦的最小功耗優化了移動應用中的電池使用。
2.極快脈沖模式
短的上升和下降時間可以實現快速脈沖模式，這對于ToF應用非常重要。
3.易于集成
從SMD到TO封裝的各種封裝選項確保了產品集成的簡便性和附加功能。
4.添加功能
高級VCSEL的附加功能，如用于進一步信號處理的集成微光學器件和光電二極管，支持小型化和增加傳感器功能。
5.定制解決方案
憑借數十年的技術領先地位，通快致力于建立長期客戶關系，支持標準產品和定制解決方案。
6.高度可靠
VCSEL在功能和高度可靠的性能方面顯示出突破性的改進。產品在很寬的溫度范圍內使用壽命長。
二、光學傳感器的作用是什么？
使用VCSEL激光器、光學傳感器和圖像傳感器的光學傳感可用于許多場景中的傳感，例如下一代3D生物識別安全、工業測量和檢測應用或自動駕駛等。
展開 
垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
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- 用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
- 使用VirtualLab Fusion仿真多光源
展開 弱反導雙腔光子晶體VCSEL陣列中增強超模穩定性
（三）高亮度應用的廣闊前景
弱反導設計帶來的操作靈活性——即在寬電流組合范圍內支持穩定超模運行的能力，使該VCSEL陣列在多種高亮度應用中展現出獨特優勢。在低電流或非對稱注入條件下實現穩定激光發射的特性，使其成為數據中心高密度芯片間互連、醫療環境光學傳感器，甚至神經形態計算系統的理想候選者。與傳統方法相比，該技術無需復雜的外部相位鎖定系統，通過集成設計實現了光束控制，為光子芯片的大規模生產提供了可行性。此外，硅基平臺的潛在兼容性（盡管當前研究基于III-V族材料）也為未來電光集成開辟了道路。
總結與未來展望
這項研究不僅展示了弱反導雙腔光子晶體VCSEL陣列在擴展相干超模區域方面的優勢，更揭示了串擾電流在增強穩定性和可調性中的核心作用。與強限制設計相比，該方法克服了傳統VCSEL陣列相干區域狹窄的挑戰，結合低功率調制能力，為高亮度光應用提供了堅實的技術基礎。未來研究可聚焦于以下方向：進一步優化鏡面蝕刻工藝并引入高反射涂層以提升激光性能；通過量子阱結構設計將發射波長拓展至1300nm；探索與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的集成，解決高溫工藝對芯片組件的潛在損害問題。
參考：
[1] Pflug D W, Armstrong C, Raftery E, et al. Enhanced Supermode Stability in Weakly Anti-Guided Dual-Cavity Photonic Crystal VCSEL Arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2025.
[2] Jahan N, Choquette K D.
展開 垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
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垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
