VCSEL (vertical cavitiy surface emitting laser) je laserová dioda, která vyzařuje světlo v kuželovitém paprsku vertikálně od povrchu vytvořené desky. VCSEL nabízejí mnoho výhod v porovnání s obvyklými lasery emitujícími u okrajů, u kterých světlo vystupuje u jedné nebo dvou bočních stran čipu. Ať pro průmyslový trh nebo pro spotřebitelské prostředí – VCSEL jsou k dispozici v různých vlnových délkách. Standardní vlnové délky se při tom pohybují v oblasti 760 nm, 850 nm a 940 nm.
Výhody TRUMPF VCSEL
Co je vlastně VCSEL a jaké výhody nabízí v porovnání s jinými laserovými diodami? Jaká konstrukce teprve umožní speciální způsob funkce VCSEL Arrays? Kromě toho zjistěte na této stránce více o dvou typech VCSEL a také všechny detaily k typickým aplikačním polím laserových diod v průmyslovém a spotřebitelském prostředí.
Co je VCSEL (vertical cavitiy surface emitting laser)?
Jaké výhody nabízejí VCSEL?
Optimalizovaný profil paprsku
Kulatý tvar paprsku, který může být dokonce Gaussova tvaru, nízká divergence paprsku a také různé režimy světla (multimode a singlemode) předurčují VCSEL pro velké množství aplikací.
Perfektní pro aplikace vyspělé technologie
Díky svým vysokým modulačním rychlostem, kvalitě paprsku a energetické efektivitě se VCSEL Arrays optimálně hodí pro high-tech aplikace jako například 3D senzorika, LiDAR nebo optická datová komunikace.
Šetří místo a náklady
Díky vertikálně emitujícím laserům lze ušetřit výrobní prostor a Arrays s mnoha emitory realizovat na jednom čipu. Tím lze na úrovni desky vyrábět a testovat ve vysokém počtu kusů
Vysoká energetická efektivita
Příkon VCSEL ve velmi nízkém miliwatovém rozsahu umožňuje velmi efektivní provoz v mobilních aplikacích, nebo také při používání v datových centrech při současně značně snížené spotřebě proudu.
Krátké doby nárůstu a poklesu
Díky krátkým dobám nárůstu a poklesu lze s VCSEL realizovat velmi rychlý impulzní provoz. To je především důležité pro použití v optické datové komunikaci a u systémů Time-Of-Flight (ToF).
Úzkopásmová spektrální emise světla
VCSEL umožňují spektrální emisi světla s extrémně úzkou šířkou pásma.
Jednoduchá vertikální integrace
Na základě vertikální emise světla lze integrovat další funkce jako polarizačně stabilizující prvky nebo mikro optiky.
Takto funguje VCSEL
VCSEL sestává z mnoha po sobě následovně vytvořených epitaktických vrstev. Nejhornější vrstva slouží jako kontaktní vrstva k proudové injektáži. Pod ní následuje první z obou zrcadel. To je dotováno uhlíkem a sestává z více vrstev AlGaAs s různým obsahem hliníku. Reflektivita horního zrcadla je zpravidla asi okolo 99 procent.
Po horním zrcadle následuje oxidová clona. Ta sestává z materiálu s vysokým obsahem hliníku, který je částečně pasivován mokrou oxidací. Vnitřní (nepasivovaný) díl oxidové clony slouží ke svázání proudu a k optickému vedení. Oxidová clona definuje četné důležité elektrooptické parametry VCSEL.
V aktivní zóně jsou obsaženy kvantové objekty. Ta slouží k zesílení výkonu.
Pod aktivní zónou je druhé zrcadlo, které je dotováno křemíkem a je podstatně silnější než horní zrcadlo. To slouží k odrazu pokud možno veškerého světla zpět do aktivní zóny. Reflektivita dolního zrcadla je zpravidla asi okolo 99,9 procent.
Singlemode VCSEL oproti multimode VCSEL: Kde jsou rozdíly?
Aktuálně jsou dva druhy VSCEL: Singlemode VSCEL a multimode VSCEL. Singlemode VCSEL vytváří světelný paprsek s vysokou spektrální čistotou a vykazuje nižší divergenci a také vyšší koherentní výkon než multimode VCSEL. Zatímco se singlemode VCSEL zvláště často nacházejí v četných průmyslových senzorových aplikacích, jsou velmi kompaktní multimode VCSEL používány především v mobilních spotřebitelských aplikacích a vysoce integrovaných senzorech.
Jaké jsou typické aplikace VCSEL Arrays?
Time-of-Flight (ToF)
Ať pro senzory vzdálenosti, laserový autofokus nebo pro vysoce přesnou hloubkovou senzoriku – kompaktní VCSEL Arrays se hodí pro měření od několika milimetrů až po několik metrů a jsou především předurčeny pro aplikace do smartphonů.
Strukturované světlo
S VCSEL, které na povrch vrhají strukturované světlo ve formě bodového vzoru, lze předem zadané vzory velmi přesně zobrazit a rozpoznat. Tak hrají světelné diody důležitou roli v rozpoznávání tváří při odblokování smartphonu, bezpečnostním rozpoznávání při placení mobilním telefonem nebo při otevírání dveří.
Průmyslové senzory
Ať v souvislosti se senzory kyslíku, u kterých jsou detekovány částice v prostředí, nebo u optických enkodérů, které jsou používány pro vysoce přesné polohování: Singlemode VCSEL s hermeticky těsným TO pouzdrem odolávají dokonce i za drsných provozních podmínek.
LiDAR
VCSEL Arrays se velmi dobře hodí pro aplikace LiDAR. Velmi nízké doby nárůsru a poklesu optických pulzů při tom umožňují ultra krátké pulzování s vysokými špičkovými výkony, což opět přispěje k vyššímu měření vzdálenosti. Výkon systému lze značně zvýšit díky adresovatelnosti různých segmentů na VCSEL Arrays. VCSEL proto hrají do budoucna důležitou roli pro autonomní jízdu.
Optická datová komunikace přes skleněná vlákna
Díky řešením VCSEL a fotodiod lze vysílat kódovaný signál, na druhém konci jej přijímat a nakonec dekódovat v elektrický signál. Při tom je rozhodující vysoký výkon a spolehlivost komponent.
Průmyslová tepelná úprava (topné systémy VCSEL)
Četné průmyslové aplikace jako spojování, svařování, sušení, pečetění, změkčování nebo ohřívání lze adresovat s vysoce výkonnými topnými systémy VCSEL. Zdroje paprsku založené na polích VCSEL jsou schopny zahřívat velké plochy s infračerveným zářením nasměrovaným podle vlnové délky.
Kontakt