VCSEL 阵列是什么？
VCSEL 阵列是垂直腔面发射激光器的单片（线性或二维）阵列。每个 VCSEL 都能输出圆形光束，并能直接进行高速调制。因此，这些设备非常适合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，它从芯片的顶面垂直发光 - 见图 1。通过对电极进行精心塑形，避免激光被阻挡或吸收，从而实现激光操作。
与边缘发射设备相比，VCSEL 有两个优势，因此更适合一些应用中。
图 1：VCSEL 产生的对称圆形光束比边缘发射装置产生的椭圆形光束更容易操作和利用。
光学特性 边缘发射器产生的椭圆形光束发散性也很强，而且经常发生象散。因此，它们通常需要更复杂的光束整形光学器件才能进行集成。然而，在 VCSEL 中，输出光束是对称的圆形光束，发散度要小得多。因此，VCSEL 输出可以更轻松地聚焦到光点或耦合到光纤中，并降低了系统的成本和复杂性。
电子学特性。所有半导体激光器都可以通过切换驱动电流直接进行调制。但是，虽然边缘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，往往需要额外集成一个外部（如 Mach-Zender）调制器。相比之下，VCSEL 架构的短腔和某些其他方面意味着它们可以进行优化，以实现比典型边缘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，因此开/关调制速度极快，有利于数据通信应用。
VCSEL 阵列由按行列式排列多个独立 VCSEL 组成。这种架构具有两个优势：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 VSCEL 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，例如飞行时间摄像头或结构光摄像头。
某些 VCSEL 阵列中的单个发射器可以独立操作。这样就可以非常灵活地塑造和引导发射的激光。它还提供了一种适合多通道使用的数据通信光源，但体积小、效率高、封装简单，只有单片式芯片才能做到。
就其用途而言，VCSEL 阵列常见于一些高速数据通信应用中，如数据中心和高速网络中的光学互连。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）应用，而不是长距离系统。这种组合意味着 VCEL 阵列特别适用于超大规模数据中心内的光学互连，这些中心目前需要支持人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用的大幅增长。
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。
如上文所述，VCSEL 和 VCSEL 阵列也非常适合许多光学传感和成像应用。这些应用中包括用于手机、个人电脑或自动门锁的面部识别系统。主要的大批量应用是用于 ADAS（高级驾驶员辅助系统）的激光雷达（光检测和测距）系统 - 见图 3。它们发射结构化高意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停车非常有用。
VCSEL 阵列还应用于多种工业和消费电子产品。一些突出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 阵列已广泛用于医疗器械应用，如血氧传感。它们体积小巧，光束特性优越，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很高。
传感和测量VCSEL 阵列还可用于工业/商业传感和测量领域的许多其他应用。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，因此成为了众多光学和光子技术的关键部件。它们的持续发展提高了性能并扩大了在各个领域的应用。