1 VCSEL 原理
VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）垂直腔面發射鐳射器，從垂直於襯底面射出鐳射的半導體鐳射器件。根據其有源層的不同，可分為三種結構：
圖1 三種結構的垂直腔面發射鐳射器
a) 所示的鐳射器採用45°傾斜反射鏡結構，其反射特性完全依賴於內部反射鏡的傾角和平整度，工藝製作困難，且存在光束畸變問題。
b) 採用高階耦合光柵結構，其原理將在後面介紹。可以獲得發散角小的窄細光束，但其反射光的大部分進入了襯底，使效率大幅降低，而且鐳射束的發散角度隨波長變化而變化。
c) 為有源區直徑及腔長為微米量級的微腔結構，容易實現低閾值，具有較高的微分量子效率，所以是垂直腔面發射鐳射器中最理想的結構。
2 水平腔面鐳射器（HCSEL）
a)和b)結構為水平諧振腔發光利用反射鏡或者二階光柵實現了垂直髮射。對於二階光柵結構鐳射器提供光學反饋的部分不是傳統FP鐳射器中的端面反射鏡，而是使用諧振腔內部包含的分佈反饋布拉格光柵。分佈反饋式布拉格光柵中的布拉格定律可以推導如下
圖2 布拉格定律示意圖
如圖，假設平面波以 角入射， 為反射角。光柵常數為d，入射光分別在A點和D點反射。可以得到光程差為|AC-BD|。如果兩束光以相同相位達到同一點，則會產生干涉相長，這種情況下光程差必須為波長的整數倍
(2)和(3)帶入(1)所以得到光柵方程
其中絕對值內符號當衍射光線和入射光線在法線兩邊時取負號，在同一邊時取正好。n 為有效折射率。
（a）1階光柵
（b）2階光柵
圖3 （a）1階光柵（b）2階光柵示意圖
當 時，(4)式子為
如上圖2入射光方向
衍射光方向與入射光方向一致不成立。則只有當
即衍射光沿著沿入射光方向返回。如圖（a）1階光柵衍射圖。
當
時，(4)式子為
如上圖2入射光方向
，衍射和反射發生在法線兩邊，則當
，衍射光為零度方向
，衍射光與入射光方向相反。所以存在衍射光垂直與腔長方向的衍射光。
