1 VCSEL 原理

VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）垂直腔面发射激光器，从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器件。根据其有源层的不同，可分为三种结构：

图1 三种结构的垂直腔面发射激光器

a) 所示的激光器采用45°倾斜反射镜结构，其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度，工艺制作困难，且存在光束畸变问题。

b) 采用高阶耦合光栅结构，其原理将在后面介绍。可以获得发散角小的窄细光束，但其反射光的大部分进入了衬底，使效率大幅降低，而且激光束的发散角度随波长变化而变化。

c) 为有源区直径及腔长为微米量级的微腔结构，容易实现低阈值，具有较高的微分量子效率，所以是垂直腔面发射激光器中最理想的结构。

2 水平腔面激光器（HCSEL）

a)和b)结构为水平谐振腔发光利用反射镜或者二阶光栅实现了垂直发射。对于二阶光栅结构激光器提供光学反馈的部分不是传统FP激光器中的端面反射镜，而是使用谐振腔内部包含的分布反馈布拉格光栅。分布反馈式布拉格光栅中的布拉格定律可以推导如下

图2 布拉格定律示意图

如图，假设平面波以 角入射， 为反射角。光栅常数为d，入射光分别在A点和D点反射。可以得到光程差为|AC-BD|。如果两束光以相同相位达到同一点，则会产生干涉相长，这种情况下光程差必须为波长的整数倍

(2)和(3)带入(1)所以得到光栅方程

其中绝对值内符号当衍射光线和入射光线在法线两边时取负号，在同一边时取正好。n 为有效折射率。

（a）1阶光栅

（b）2阶光栅

图3 （a）1阶光栅（b）2阶光栅示意图

当 时，(4)式子为

如上图2入射光方向

衍射光方向与入射光方向一致不成立。则只有当

即衍射光沿着沿入射光方向返回。如图（a）1阶光栅衍射图。

当

时，(4)式子为

如上图2入射光方向

，衍射和反射发生在法线两边，则当

，衍射光为零度方向

，衍射光与入射光方向相反。所以存在衍射光垂直与腔长方向的衍射光。