半導體激光二極管可以將電壓轉換為光子。VCSEL（垂直腔表面發射激光器）是半導體激光器的“亞種”之一。與邊緣發射激光二極管相反，VCSEL的光從表面垂直發射，從而減少了安裝空間，并能夠讓具有數十個，數百個甚至數千個發射器的陣列集成在單個芯片上。VCSEL的圓形光束形狀能讓激光束可以實現高效的光纖耦合。VCSEL還具備包括諸如：在晶片上的相對低成本的生產，高調制速度，高光束質量和能效等優勢。

VCSEL從底部到頂部構造包括：

◆高反射率（99.9％）的布拉格反射器（DBR）

◆氧化層

◆有源激光層（帶有量子膜和勢壘的量子阱）

◆另一個帶有圓形開口的氧化層，用于束成形

◆頂部部分反射（99％）的DBR。

當施加電壓時，激光層充當量子阱。兩個DBR層之間疊置了基于氮化鎵，砷化鎵或磷化銦的半導體，其中量子膜與由不同材料制成的勢壘交替出現。如果在施加電壓的情況下引入自由電子，則半導體們將被“捕獲“在量子膜中。因為層間距離極薄，以至于被激光激發的電子只能在其中水平移動。另一方面，半導體們可以在阻擋層中自由循環，然而如果它們穿過高能量子膜，則會促進激射，換句話說，會在松弛過程中激發光子并激發能量。

在通信領域，自90年代末以來，VCSEL便必不可少。現在隨著科技的發展，VCSEL不斷地被開發出新的潛力，在醫療技術、工業流程，智能手機和自動駕駛的應用中越發常見，最近更是呈現爆發趨勢。

從第一個商業VCSEL生產工廠投入使用以來，直到Finisar在2006年交付了第5,000萬個VCSEL，這個過程用了十年時間。截止十一年后的2017年，這個被II-VI集團收購的VCSEL市場先驅者，已經售出了3億臺商用VCSEL。

在此期間，VCSEL的性能也迅速提高。例如，在通過光纖進行數據傳輸的光通信領域中，第一批VCSEL能夠在當時調制高達1Gbps的速度，但是現在這個數值已經增加到25Gbps，在演示器中甚至高達56Gbps。

懷著樂觀精神看待爆發前機

VCSEL在數據通信領域的發展已超出其原始市場，在其他領域而言，VCSEL已經在激光打印機，相機自動對焦系統和傳感器技術方面立足。但是現在，VCSEL的供應商們在新的領域更加樂觀。在行業中，強大的組織正在通過并購而形成，例如II-IV和Finisar，TRUMPF和PhilipsPhotonics，以及AMSTechnologies當前試圖接管歐司朗的嘗試。這是因為VCSEL技術正準備征服新的大眾市場。

自2017年蘋果推出首款采用基于VCSEL的面部識別和3D傳感器的iPhone以來，新的市場動態已經發生了變化，現在越來越多的手機和消費電子設備選擇集成VCSEL增強功能。通常情況下，一臺手機里需要至少集成3個以上的VCSEL，同時，許多汽車相關的應用領域也在向VCSEL招手。通過使用時間飛行距離來測量，激光雷達系統可以在交通中引導高級駕駛員輔助系統和自動駕駛車輛，其基本技術是具有數百個甚至數千個腔的多模式VCSEL陣列。此外，汽車內飾還可以配備其他基于VCSEL的傳感器系統。更加具有潛力的市場則在生物光子學和醫療技術中，VCSEL為微型脈搏血氧儀測量血液中的氧氣鋪平了道路，VCSEL可以用作FTIR光譜儀的參考激光器，并作為光學相干斷層掃描（OCT）的光源。

工業生產中也可以看到VCSEL的身影。這是因為VCSEL陣列的功率正朝著中間的兩位數瓦特范圍發展，而且一些專家認為千瓦范圍在將來非常具有可行性。垂直發射器的光束形狀還可以實現高效的光纖耦合。因此，除了VCSEL在最初的熱處理應用（增材制造）外，我們也越來越有可能看到VCSEL應用于工業切割/焊接/結構化和表面處理等工藝。

究竟是什么讓VCSEL如此吸引人？

原因之一是它們的生產相對簡單。直徑為2英寸（5.08厘米）的晶片上最多可集成20,000個VCSEL。而質量檢查則更為容易，檢查完整的夾心結構是否建立在晶片上，還有觀測激光是否向上發射其垂直光即可，可以使用集成電路的標準工藝和設備自動進行檢查。VCSEL逐層結構的另一個優點是：可以輕松地將兩個激光鏡[使用分布式布拉格反射器（DBR）]放置在有源半導體層的下方和上方。與此相反，對于邊緣發射激光二極管（EEL），制造商首先必須切割晶圓以附著鏡層。除了減少生產工作量之外，VCSEL還具有高能效和上述的高度對稱的圓形光束的好處，可確保有效的光纖耦合。

垂直發射器的波長和功率譜也在擴大，現在范圍可從2300納米的近紅外直到380納米的可見紫光。研究團隊已經在研究用于紫外線范圍的VCSEL。當前，脈沖操作的功率達到中間的兩位數瓦特范圍，而VCSEL陣列模塊甚至達到三位數的功率范圍。基于VCSEL的工業加熱模塊則是一種特殊情況，它們的功率幾乎在兩位數的千瓦范圍內。基于數以千計的同步微二極管激光器發出的近紅外光之上，功率密度超過100W/cm2，并且熱量輸入可以得到很好的控制的話，基于激光的加熱模塊可保證快速的熱處理過程和大規模加工塑料的精度。