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（线性或二维）阵列。每个 VCSEL 都能输出圆形光束，并可直接进行高速调制。因此，这些器件非常适合用于高速短距离数据通信和光学传感。
VCSEL 阵列是垂直腔面发射激光器阵列 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser array) 的缩写，是一种应用于多个光子学领域的技术，主要用于传感和通信应用，而且通常是大批量应用。它由多个垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）组成，在半导体基板或芯片上以一维或二维网格或图案排列。
VCSEL 是一种半导体二极管激光器，与从侧面发光的边缘发光激光器不同，它从芯片顶面垂直发光——见图 1。通过对电极进行精心塑形，避免激光被阻挡或吸收，从而实现激光工作。
与边缘发射器件相比，VCSEL 具有两个优势，因此更适合某些应用。
图 1：VCSEL 产生的对称圆形光束比边缘发射器件产生的椭圆形光束更易于操作和利用。
光学特性边缘发射器产生的光束呈椭圆形，发散度很大，且常出现像散。因此，通常需要更复杂的光束整形光学元件才能将其集成。然而，在VCSEL中，输出光束是对称的圆形光束，其发散度要小得多。因此，VCSEL的输出光束更容易聚焦成光斑或耦合到光纤中，从而降低了系统的成本和复杂性。
电子学特性。所有半导体激光器均可通过切换驱动电流直接进行调制。然而，尽管边发射器在通信应用中得到了广泛应用，但要实现最快的传输，通常需要额外集成一个外部（如马赫-曾德尔）调制器。相比之下，VCSEL 架构的短腔以及某些其他特性意味着，它们可以经过优化，以实现比典型边发射器更快的直接调制——见图 2。同样，这也降低了整体复杂度和成本。
图 2：VCSEL 的腔体很短，因此其开关调制速度极快，这有利于数据通信应用。
VCSEL 阵列由多个独立的 VCSEL 按行列式排列组成。这种架构具有两大优势：更高的功率和多通道运行。虽然边缘发射器的光功率可以通过增加腔体长度来调节，但在 VCSEL 中却无法做到这一点，因为它们是通过增加发射器数量来提高功率的。这在需要较大光输出功率的传感应用中非常有用，例如飞行时间相机或结构光相机。
某些VCSEL阵列中的单个发射器可以独立工作。这使得对发射激光的塑形和引导具有极高的灵活性。它还提供了一种适用于多通道应用的数据通信光源，其体积小、效率高、封装简单，这些特性只有单片芯片才能实现。
就其用途而言，VCSEL 阵列常见于一些高速数据通信应用中，例如数据中心和高速网络中的光互连。由于它们能够对光进行快速调制，因此能够以极高的速度传输数据。它们的单通道功率不大，这意味着它们更适合短距离（最多 100 米）的应用，而非长距离系统。这种特性组合使得 VCSEL 阵列特别适用于超大规模数据中心内的光互连，这些数据中心目前需要支持人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用的激增。
图 3：VCEL 和 VCSEL 阵列广泛应用于基于激光雷达的自动驾驶汽车传感应用中。
如上所述，VCSEL 和 VCSEL阵列也非常适合许多光学传感和成像应用。这些应用包括用于手机、个人电脑或自动门锁的面部识别系统。主要的大规模应用是用于 ADAS（高级驾驶辅助系统）的激光雷达（光检测与测距）系统——见图 3。它们发射结构化高强度光图案的能力对于深度感知和地图绘制，以及车道跟踪、交通接近感应和自动泊车非常有用。
VCSEL 阵列还广泛应用于多种工业和消费类电子产品。一些典型的例子包括激光打印机、光学鼠标和手势识别系统。
在生物医学和医疗保健领域：VCSEL 阵列已广泛应用于医疗器械领域，例如血氧监测。它们体积小巧，光束特性优异，因此可以轻松集成到可穿戴设备中。这些设备对空间的要求非常高。
VCSEL 阵列还可应用于工业/商业传感和测量领域的许多其他场景。这些应用包括基于光谱和/或气体传感的工艺控制应用，以及某些类型的环境监测。
总而言之，VCSEL 阵列具有控制精确、可扩展以及易于集成到多种系统等优势，因此已成为众多光学和光子技术中的关键组件。其持续发展不仅提升了性能，还拓展了在各个领域的应用范围。