VCSEL, được gọi đầy đủ là Laser phát xạ bề mặt khoang dọc, là một loại laser bán dẫn.Hiện tại, hầu hết các VCSEL đều dựa trên chất bán dẫn GaAs và bước sóng phát xạ chủ yếu ở dải sóng hồng ngoại.
Năm 1977, Giáo sư Ika Kenichi của Đại học Công nghệ Tokyo lần đầu tiên đề xuất khái niệm về laser phát ra bề mặt khoang thẳng đứng.Trong những ngày đầu, anh ấy chủ yếu muốn thu được một tia laser bán dẫn chế độ dọc duy nhất với đầu ra ổn định bằng cách rút ngắn chiều dài khoang.Tuy nhiên, do độ dài khuếch đại một chiều của thiết kế này ngắn nên rất khó để thu được tia laser, vì vậy nghiên cứu ban đầu về VCSEL đã bị kéo dài.Hai năm sau, Giáo sư Yihe Jianyi đã thực hiện thành công việc phát xung laze dòng GaInAsP ở 77 K bằng cách sử dụng công nghệ epitaxy pha lỏng (phương pháp epitaxy pha lỏng để kết tủa các chất rắn từ dung dịch và lắng đọng chúng trên đế để tạo ra các lớp mỏng đơn tinh thể ).Năm 1988, VCSEL dòng GaAs được phát triển bằng công nghệ lắng đọng hơi hóa học hữu cơ (OCVD) để đạt được hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng.Với sự phát triển không ngừng của công nghệ epiticular, các cấu trúc DBR bán dẫn có hệ số phản xạ cao có thể được sản xuất, giúp tăng tốc đáng kể quá trình nghiên cứu VCSEL.Vào cuối thế kỷ 20, sau khi các tổ chức nghiên cứu đã thử các cấu trúc khác nhau, tình trạng chủ đạo của VCSEL hạn chế oxy hóa đã được thiết lập khá nhiều.Sau đó, nó chuyển sang giai đoạn trưởng thành, trong đó hiệu suất liên tục được tối ưu hóa và cải thiện.
Sơ đồ mặt cắt của tia laser phát ra đỉnh giới hạn oxy hóa
Vùng hoạt động là một phần thiết yếu của thiết bị.Do khoang VCSEL rất ngắn nên môi trường hoạt động trong khoang cần cung cấp thêm mức bù khuếch đại cho chế độ phát quang.
Trước hết, ba điều kiện phải được đáp ứng đồng thời để tạo ra tia laser:
1) phân phối đảo ngược sóng mang trong vùng hoạt động được thiết lập;
2) một khoang cộng hưởng phù hợp cho phép bức xạ kích thích được phản hồi nhiều lần để tạo thành dao động laser;và
3) dòng điện tiêm đủ mạnh để làm cho độ lợi quang lớn hơn hoặc bằng tổng các tổn thất khác nhau và đáp ứng các điều kiện ngưỡng dòng điện nhất định.
Ba điều kiện chính tương ứng với khái niệm thiết kế của cấu trúc thiết bị VCSEL.Vùng hoạt động của VCSEL sử dụng cấu trúc giếng lượng tử căng thẳng để thiết lập cơ sở để thực hiện phân phối đảo ngược sóng mang bên trong.Đồng thời, một khoang cộng hưởng với hệ số phản xạ thích hợp được thiết kế để làm cho các photon phát ra tạo thành các dao động kết hợp.Cuối cùng, dòng điện tiêm đủ được cung cấp để cho phép các photon vượt qua các tổn thất khác nhau của chính thiết bị để tạo ra hiệu suất lâu dài.
Đây là cách mà Công ty TNHH Công nghệ quang điện tử HDV Thâm Quyến, một công ty truyền thông quang học, giải thích về VCSEL.