相較于傳統(tǒng)邊射型半導(dǎo)體雷射的發(fā)展，垂直共握腔面射型雷射（VCSEL）的設(shè)計概念直到1979年首先被Iga等人提出。而Soda等人則在同年利用發(fā)光在1300 nm波段的InGaAsP-InP材料實際制作出第一個低溫且脈沖操作的VCSEL。其后隨著半導(dǎo)體材料布拉格及射鏡（distributed Bragg reflector, DBR）的使用與改善，Ogura 和Wang等人在1987年首次成功制作出室溫操作的GaAs面射型雷射［2］，隨后Lee等人在1989年改善DBR的反射率到達約99.9%而成功制作出低閾值電流密度（Jtn，1.8 kA/Cm2）的VCSEL。半導(dǎo)體材料的DBR是用兩種不同折射率的材料交互堆疊而成，其介面上能隙的不連續(xù)往往會造成電阻過大的情形發(fā)生，Geels等人在DBR介面上使用超晶格的方式減少能帶不連續(xù)而降低操作電壓以及閾值電流密度到0.6kA/Cm2［4］。接下來，VCSEL在電流與光學(xué)局限的結(jié)構(gòu)上持續(xù)改善，其中氧化局限（oxide-confined）VCSEL［S］，使得閾值電流密度與操作特性更進一步獲得優(yōu)化，VCSEL的總功率轉(zhuǎn)換效率可以達到57%以上［6］17］?，F(xiàn)今，VCSEL已成為Gigabit乙太網(wǎng)路的主要光源，VCSEL的調(diào)變速度可以到達25 Gb/s以上［8］，此外許多不同發(fā)光波長的VCSBL已實際商品化，雷射滑鼠也是目前VCSEL的應(yīng)用之一。另外，多波長VCSEL陣列或元件也可以應(yīng)用到分波多工（wavelength division multiplexing, WDM）通訊系統(tǒng)上，例如使用MBE成長特性制作出的二維多波長陣列，或是使用微機電（MEMS）的方式來制作波長可調(diào)式的VCSEL［10］-［13］ 都已有相當(dāng)不錯的成果。

從元件結(jié)構(gòu)的差異上比較，傳統(tǒng)的邊射型雷射和垂直共振腔面射型雷射結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，由于傳統(tǒng)的邊射型雷射其樓截面方向上光學(xué)局限機制在垂直與平行異質(zhì)接面方向上不同，故雷射光的遠場發(fā)散角為橢圓型，造成與光纖耦合的困難。相反地，VCSBL在橫截面方向上對光學(xué)的局限較小且成對稱結(jié)構(gòu)，因此具有低發(fā)散角的圓型雷射光點的特性，為光纖通訊的理想光源，除此之外，制作VCSBL的過程中，不需要用劈裂的方式來制作雷射共振腔，因此可以直接在未切過的晶圓上測試，具有提高制作元件的產(chǎn)量與降低制作成本的優(yōu)點，而VCSEL的雷射反射鏡直接由磊晶成長時制作，不像傳統(tǒng)邊射型雷射需要后續(xù)的晶片劈裂與側(cè)向的鍍膜，在制作上需要花費更高的時間與成本。

我們將圖3-1（b）的VCSBL結(jié)構(gòu)簡化如圖3-2所示，R1和R2分別為上下DBR的反射率，若不考慮穿透深度（penetration depth）的效應(yīng)，則VCSBL的共振腔長L包括了P，N披覆層以及主動層厚度d，若主動層的吸收為aa，披覆層中的吸收為ac，由來回振蕩模型中需保持一致性的原則，我們可以得到：

整理上式可得VCSEL的閾值增益為：

由于雷射光為上下來回振盜，雷射光在水平方向的強度分布會和主動層完全重疊，因此在（3-2）式的左邊不需要再乘上光學(xué)局限因子Г，因為水平方向的Г=1。一般使用量子井或多重量子井的VCSEL，其主動層的厚度若為d=50nm，其共振腔長約500 nm，若aa=ac=10Cm-1，R1=R2=R，則閾值增益為

??

由于鏡面損耗的前置系數(shù)就高達2X10°，因此反射率R需要趨近于1才能使鏡面損耗該項降下來，對一般GaAs的VCSEL，即使其材料增益系數(shù)達到2000Cm-1，DBR的反射率也必須要大于99%才能達到閾值增益。和邊射型雷射相比，VCSBL的雷射光經(jīng)過主動層的長度太短，需要高的反射率讓雷射光能夠盡量停留在共振腔內(nèi)以達到閾值條件。