VCSEL, som i sin helhed kaldes en Vertical Cavity Surface Emitting Laser, er en slags halvlederlaser. I øjeblikket er de fleste VCSEL'er baseret på GaAs-halvledere, og emissionsbølgelængden er hovedsageligt i det infrarøde bølgebånd.
I 1977 foreslog professor Ika Kenichi fra Tokyo University of Technology for første gang konceptet med en lodret kavitet overflade-emitterende laser. I de tidlige dage ønskede han hovedsageligt at opnå en enkelt longitudinel halvlederlaser med stabilt output ved at forkorte hulrummets længde. Men på grund af dette designs korte envejs forstærkningslængde var det udfordrende at opnå laserlasering, så den tidlige forskning af VCSEL blev forlænget. To år senere realiserede professor Yihe Jianyi succesfuldt pulseret lasering af GaInAsP-seriens lasere ved 77 K ved hjælp af væskefase-epitaksi-teknologi (metoden med væskefase-epitaksi til at udfælde faste stoffer fra opløsning og deponere dem på substratet for at generere tynde enkeltkrystallag ). I 1988 blev GaAs-seriens VCSEL'er dyrket ved hjælp af organisk kemisk dampudfældning (OCVD) teknologi for at opnå kontinuerlig drift ved stuetemperatur. Med den konstante udvikling af epitaksial teknologi kan der fremstilles halvleder-DBR-strukturer med høj reflektivitet, hvilket markant fremskynder forskningsprocessen for VCSEL. I slutningen af det 20. århundrede, efter at forskningsinstitutioner havde prøvet forskellige strukturer, var den almindelige status for oxidationsbegrænset VCSEL stort set fastsat. Det bevægede sig derefter ind i modenhedsstadiet, hvor ydeevnen konstant blev optimeret og forbedret.
Snitdiagram af oxidationsbegrænset top-emitterende laser
Den aktive region er den væsentlige del af enheden. Fordi VCSEL-hulrummet er meget kort, skal det aktive medium i hulrummet give mere forstærkningskompensation for lasertilstanden.
Først og fremmest skal tre betingelser være opfyldt samtidigt for at generere en laser:
1) bærebølgeinversionsfordelingen i det aktive område er etableret;
2) et passende resonanshulrum tillader den stimulerede stråling at blive tilbageført mange gange for at danne en laseroscillation; og
3) strømindsprøjtningen er stærk nok til at gøre den optiske forstærkning større end eller lig med summen af forskellige tab og opfylde visse strømtærskelbetingelser.
De tre primære betingelser svarer til designkonceptet for VCSEL-enhedsstrukturen. Den aktive region af VCSEL bruger en anstrengt kvantebrøndstruktur til at etablere grundlaget for at realisere den interne bærer-inversionsfordeling. Samtidig er et resonanshulrum med passende reflektivitet designet til at få de udsendte fotoner til at danne sammenhængende oscillationer. Endelig er der tilvejebragt tilstrækkelig injektionsstrøm til at sætte fotoner i stand til at overvinde forskellige tab af selve enheden for at skabe en varig
Sådan forklarede Shenzhen HDV Optoelectronic Technology Co., Ltd., en optisk kommunikationsvirksomhed, VCSEL.