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微小孔垂直腔面发射激光器的研制的综述报告
微小孔垂直腔面发射激光器（VCSEL）是目前被广泛应用于数字通信、传感器和光存储等领域的一种新型半导体激光器。它可以在比传统激光器更小的空间中发射高度定向的光，具有较宽的频谱带宽、低电流和低功率消耗等诸多优点，在光通信、生物医学、光学加工等领域具有广泛的应用前景。
本文将对VCSEL的研制进行综述，并重点介绍它的结构、工作原理以及最新的研究进展。
一、VCSEL结构
VCSEL主要由三部分组成：n型半导体材料、p型半导体材料和量子阱（QW），其结构如图所示。
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其中，n型半导体与p型半导体之间的量子阱是实现激发和电子、空穴复合的关键部分。在量子阱中，电子和空穴被约束在极小的区域内，因此能级密度比较大，这使得激光器的阈值电流较低，可以在低电流下实现高效的光输出。此外，采用加长共振腔结构的VCSEL能够更有效地限制激光场在垂直方向的扩散，从而实现高度定向的光输出。
二、VCSEL的工作原理
VCSEL的工作原理基于电子和空穴在量子阱中的复合发生激光放射。当p型和n型半导体之间加上一个电压时，会在量子阱区域形成电路，激发一部分电子和空穴进入量子阱区域。如果电子和空穴的密度足够高，则会在量子阱区域高度复合，从而产生辐射能量。这种辐射能量将被进一步放大在共振腔内的反射中反射，形成VCSEL的输出光。
三、VCSEL的研究进展
VCSEL的研究始于1990年代，自那时起已经发生了许多进步。如今，VCSEL已经成为数字通信领域的首选激光器，并在生物医学、光学加工和光传感器等领域得到了广泛应用。
1.数字通信领域
VCSEL在数字通信领域中的应用最为广泛。用于40Gbps和以上速率的光纤通信系统中，VCSEL已经成为主流激光器。此外，VCSEL也被应用于各种光网络设备中，如光路交换机、光接口卡等。
目前，研究者主要关注的是VCSEL在高速长距离通信系统中的稳定性和可靠性。研究者们已经采用许多方法来提高VCSEL的性能，例如背面反射镜、多重共振腔结构和硅基VCSEL等。
2.光学传感器领域
VCSEL可以用于制造各种光学传感器，如气体、液体和生物分子传感器等。由于VCSEL具有比其他激光器更小的尺寸和更高的功率效率，因此在制造便携式传感器和体积受限的传感器时具有独特的优势。
在传感器领域，VCSEL的一个重要应用是制造人体生理检测传感器。使用VCSEL和各种光学技术，可以轻松测量人的体温、呼吸、血糖、血氧和心率等生理参数。目前，这种应用已经开始走向商业化。
3.光学加工领域
VCSEL的光束质量非常好，能够产生高度定向的激光束并在小范围内进行加工。因此VCSEL被用于制造微型电器、光学器件、化学传感器、生物芯片等。此外，VCSEL也被用于高精度3D成像和3D打印等应用中。
总之，VCSEL是一种非常有前途的激光器，可以用于数字通信、传感器和光学加工等领域。未来，VCSEL将继续被广泛应用，并且在可靠性、功率、时间稳定性等方面得到进一步改进。