什么是VCSEL阵列？
VCSEL阵列是由垂直腔面发射激光器组成的单片式（线性或二维）阵列。每个VCSEL均输出圆形光束，并可进行高速直接调制。因此，此类器件既适用于高速近距离数据通信，也适用于光学传感领域。
图1. VCSEL 产生的对称圆形光斑，比边缘发射器件的椭圆形光斑更易于操控和应用。
从光学特性来看，边缘发射器件会产生椭圆形光束，这种光束通常发散角很大且常伴有像差。因此，要将其集成，往往需要更复杂的成束光学器件。 然而，VCSEL的输出光束具有对称性且呈圆形，发散角要小得多。因此，将VCSEL的输出光束聚焦到单一点或耦合到光纤上变得更加容易，从而降低了系统的成本和复杂性。
电学特性。所有二极管激光器均可通过切换驱动电流进行直接调制。 边发射器件虽在通信领域得到广泛应用，但若要实现超高速传输，通常需要额外集成外部调制器（例如马赫-曾德调制器）。相比之下，由于短腔结构以及VCSEL架构的其他特定特性，其可针对直接调制进行优化，调制速度远超普通边发射器件（参见图2）。因此，这有助于降低整体复杂性和成本。
图2.VCSEL的短腔结构有助于实现数据通信领域所需的超高速开/关调制速率。
VCSEL阵列由按行和列排列的多个独立VCSEL组成。 这种架构具有两大优势：更高的功率和多通道工作模式。虽然可以通过延长腔长来提升边缘发射器件的光输出功率，但在VCSEL中，通过增加器件数量来提高输出功率却无法实现。这在需要相当大光学输出功率的传感领域（如飞行时间（ToF）或结构光相机）中非常有用。
某些VCSEL阵列中的单个发光器件可以独立工作。这使得在发光形状和方向控制方面具有相当大的灵活性。此外，虽然它也能作为多通道数据通信的信号源，但同时具备仅见于单片芯片的微小尺寸、高效率和简便的封装特点。
在应用方面，VCSEL阵列广泛应用于数据中心和高速网络的光互连等多个高速数据通信领域。由于能够快速调制光信号，因此可以实现超高速数据传输。由于每通道功耗较低，因此它更适合短距离（最长100米）的应用场景，而非长距离系统。 综合来看，VCSEL阵列特别适合用于数据超大规模中心内的光互连，以支持当前人工智能（AI）和机器学习（ML）应用的激增。
图3.VCEL和VCSEL阵列在激光雷达（LIDAR）检测领域中的一种应用——自动驾驶汽车中得到了广泛应用。
如前所述，VCSEL 及 VCSEL 阵列也适用于各种光学检测和成像领域。 其中包括用于手机、个人电脑及自动门锁的面部识别系统。作为主要的大规模应用领域，还有用于ADAS（高级驾驶辅助系统）的激光雷达（LIDAR）系统（参见图3）。这些能够发射结构化且一致的光斑的功能，对于深度感知与建图、车道跟踪、交通近距离检测以及自动泊车非常有用。
VCSEL阵列还广泛应用于各类工业及消费类电子产品中。激光打印机、光学鼠标、动作识别系统等都是典型的例子。
生物医学与医疗保健领域：VCSEL阵列已广泛应用于血氧监测等医疗设备中。凭借其紧凑的尺寸和优异的光束特性，VCSEL阵列可轻松集成到空间受限的可穿戴设备中。
检测与测量：VCSEL阵列还广泛应用于工业和商业检测与测量的其他多个领域。其中包括基于光谱学和/或气体检测的工艺控制应用，以及特定类型的环境监测。
简而言之，VCSEL阵列具有精确控制、可扩展性以及易于与各种系统集成等优势，因此在众多光学和光子技术中被用作关键组件。随着持续的发展，其性能不断提升，应用领域也不断扩大。