Ein VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) ist eine Laserdiode, die Licht in einem kegelförmigen Strahl vertikal von der Oberfläche eines hergestellten Wafers abstrahlt. VCSEL bieten viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen kantenemittierenden Lasern, bei denen Licht an einer oder zwei Flanken des Chips austritt. Ob für den industriellen Markt oder für das Consumer-Umfeld – VCSEL sind in unterschiedlichen Wellenlängen verfügbar. Die Standardwellenlängen bewegen sich dabei im Bereich 760 nm, 850 nm und 940 nm.
Die Vorteile der TRUMPF VCSEL
Was ist eigentlich ein VCSEL und welche Vorteile bietet er im Vergleich zu anderen Laserdioden? Welcher Aufbau macht die spezielle Funktionsweise von VCSEL Arrays erst möglich? Erfahren Sie auf dieser Seite außerdem mehr über die zwei Arten von VCSEL sowie alle Details zu typischen Anwendungsfeldern der Laserdioden im Industrie- und Consumer-Umfeld.
Was ist ein VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?
Welche Vorteile bieten VCSEL?
Optimiertes Strahlprofil
Die runde Strahlform, welche sogar gaußförmig sein kann, die geringe Strahldivergenz sowie die verschiedenen Lichtmodi (Multimode und Singlemode) prädestinieren VCSEL für eine Vielzahl an Applikationen.
Perfekt für Hochtechnologieapplikationen
Durch ihre hohen Modulationsgeschwindigkeiten, die Strahlqualität und Energieeffizienz eignen sich VCSEL Arrays optimal für High-tech Applikationen wie zum Beispiel 3D-Sensorik, LiDAR oder optische Datenkommunikation.
Spart Platz und Kosten
Durch die vertikal emittierenden Laser kann Bauraum eingespart und Arrays mit vielen Emittern auf einem Chip realisiert werden. Dadurch lässt sich auf Waferebene in hoher Stückzahl fertigen und testen
Hohe Energieeffizienz
Die Leistungsaufnahme der VCSEL im sehr niedrigen Milliwattbereich ermöglicht einen sehr effizienten Betrieb in mobilen Applikationen, oder auch beim Einsatz in Datenzentren bei gleichzeitig erheblich reduziertem Stromverbrauch.
Kurze Anstiegs- und Fallzeiten
Dank kurzer Anstiegs- und Fallzeiten kann mit VCSEL ein sehr schneller Pulsbetrieb realisiert werden. Dies ist vor allem für den Einsatz in der optischen Datenkommunikation und bei Time-Of-Flight (ToF) Systemen wichtig.
Schmalbandige spektrale Lichtemission
VCSEL ermöglichen eine spektrale Lichtemission mit einer extrem schmalen Bandbreite.
Einfache vertikale Integration
Aufgrund der vertikalen Lichtemission lassen sich zusätzliche Features wie polarisationsstabilisierende Elemente oder Mikro-Optiken leicht integrieren.
So funktioniert ein VCSEL
Ein VCSEL besteht aus vielen aufeinanderfolgend gewachsenen epitaktischen Schichten. Die oberste Schicht dient als Kontaktschicht zur Strominjektion. Darunter folgt der erste der beiden Spiegel. Dieser ist Kohlenstoff dotiert und setzt sich aus mehreren Schichten von AlGaAs mit unterschiedlichen Aluminiumgehalt zusammen. Die Reflektivität des oberen Spiegels liegt in der Regel bei ca. 99 Prozent.
Nach dem oberen Spiegel kommt die Oxidblende. Diese besteht aus hochaluminiumhaltigem Material, welches durch Nass-Oxidation partiell passiviert wird. Der innere (nicht passivierte) Teil der Oxidblende dient zur Stromeinschnürung und zur optischen Führung. Die Oxidblende definiert zahlreiche wichtige elektrooptische Parameter eines VCSELs.
In der aktiven Zone sind die Quantentöpfe enthalten. Diese dient zur Verstärkung der Leistung.
Unterhalb der aktiven Zone liegt der zweite Spiegel, der Silizium dotiert und deutlich dicker als der obere Spiegel ist. Dieser dient zur Reflexion möglichst allen Lichts zurück in die aktive Zone. Die Reflektivität des unteren Spiegels liegt bei ca. 99,9 Prozent.
Singlemode-VCSEL vs. Multimode-VCSEL: Wo liegen die Unterschiede?
Aktuell gibt es zwei Arten von VSCEL: Singlemode-VSCEL und Multimode-VSCEL. Ein Singlemode-VCSEL erzeugt einen Lichtstrahl mit hoher spektraler Reinheit und weist eine geringere Divergenz sowie eine höhere Kohärenzleistung als ein Multimode-VCSEL auf. Während sich Singlemode-VCSEL besonders häufig in zahlreichen industriellen Sensorapplikationen wiederfinden, werden die sehr kompakten Multimode-VCSEL vor allem in mobilen Consumer-Applikationen und hochintegrierten Sensoren eingesetzt.
Was sind typische Anwendungen von VCSEL Arrays?
Time-of-Flight (ToF)
Ob für Abstandssensorik, Laser-Autofokus oder für hochpräzise Tiefensensorik – die kompakten VCSEL-Arrays eignen sich für die Messungen von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern und sind vor allem für Smartphone-Anwendungen prädestiniert.
Strukturiertes Licht
Mit VCSEL, die strukturiertes Licht in Form von einem Punktemuster auf eine Oberfläche werfen, lassen sich vorgegebene Muster hochpräzise abbilden und erkennen. So spielen die Lichtdioden eine wichtige Rolle in der Gesichtserkennung beim Entsperren eines Smartphones, zur Sicherheitserkennung beim mobilen Bezahlen oder beim Öffnen von Türen.
Industrielle Sensoren
Ob im Zusammenhang mit Sauerstoffsensoren, bei denen Partikel in der Umgebung detektiert werden, oder bei optischen Encodern, die für eine hochpräzise Positionierung zum Einsatz kommen: Singlemode-VCSEL in einem hermetisch dichtem TO-Gehäuse halten selbst bei rauen Betriebsbedingungen stand.
LiDAR
VCSEL-Arrays eignen sich sehr gut für LiDAR-Anwendungen. Die sehr niedrigen Anstiegs- und Abfallzeiten der optischen Pulse machen dabei ultrakurzes Pulsen mit hohen Spitzenleistungen möglich, was wiederum auf eine höhere Distanzmessung einzahlt. Die Systemleistung kann durch die Adressierbarkeit unterschiedlicher Segmente auf den VCSEL-Arrays deutlich gesteigert werden. VCSEL spielen damit künftig für das autonome Fahren eine wichtige Rolle.
Optische Datenkommunikation über Glasfaser
Durch VCSEL- und Photodiodenlösungen kann ein kodiertes Signal gesendet, am anderen Ende empfangen und schließlich in ein elektrisches Signal dekodiert werden. Dabei ist eine hohe Performance und Zuverlässigkeit der Komponenten entscheidend.
Industrielle Wärmebehandlung (VCSEL-Heizsysteme)
Zahlreiche industrielle Anwendungen wie Fügen, Schweißen, Trocknen, Siegeln, Enthärten oder Erhitzen können mit High-Power VCSEL Heizsystemen adressiert werden. Die Laserquellen auf Basis von VCSEL-Arrays sind in der Lage, große Flächen mit gerichteter, wellenlängenselektiver Infrarotstrahlung zu erwärmen.
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