Un VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser) est une diode laser qui émet de la lumière en un faisceau conique à la verticale de la surface d'une plaquette créée. Les VCSEL offrent de nombreux avantages par rapport aux lasers à émission latérale classiques avec lesquels la lumière provient d'un ou de deux flancs d'impulsion de la puce. Les VCSEL sont disponibles en différentes longueurs d'onde, que ce soit pour le marché industriel ou pour l'environnement grand public. Les longueurs d'onde standards se situent entre 760 nm, 850 nm et 940 nm.
Les avantages des VCSEL TRUMPF
Qu'est-ce qu'un VCSEL et quels avantages offre-t-il par rapport à d'autres diodes laser ? Quelle structure rend possible le fonctionnement spécial de réseaux VCSEL ? Sur cette page, apprenez-en davantage sur les deux types de VCSEL et découvrez en détail les champs d'application typiques des diodes laser dans l'environnement industriel et celui du grand public.
Qu'est-ce qu'un VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) ?
Quels avantages offrent les VCSEL ?
Profil de faisceau optimisé
La forme arrondie du faisceau, qui peut même être gaussienne, la faible divergence du faisceau, ainsi que les différents modes de lumière (multimode et monomode) prédestinent les VCSEL à une multitude d'applications.
Parfait pour les applications de haute technologie
De par leurs vitesses de modulation élevées, la qualité de faisceau et l'efficience énergétique, les réseaux VCSEL s'adaptent de manière optimale aux applications haute-technologie telles que les systèmes de capteurs 3D, LiDAR ou la communication optique de données.
Permet d'économiser de la place et de l'argent
Les lasers qui émettent à la verticale permettent de réduire le volume de construction et de réaliser des réseaux avec de nombreux émetteurs sur une puce. La fabrication et le contrôle d'une grande quantité de pièces est ainsi possible au niveau des plaquettes.
Efficience énergétique élevée
La puissance absorbée des VCSEL comprise dans une plage de milliwatts très basse permet à la fois un fonctionnement particulièrement efficace dans les applications mobiles ou bien pour l'utilisation dans des centres de données et une consommation électrique fortement réduite.
Temps de montée et de descente courts
Grâce à des temps de montée et de descente courts, le VCSEL permet de réaliser un mode pulsé très rapide. Cela s'avère particulièrement important pour l'utilisation dans la communication optique de données et pour les systèmes Temps de vol (ToF).
Emission de lumière spectrale à bande étroite
Les VCSEL permettent une émission de lumière spectrale avec une largeur de bande extrêmement étroite.
Intégration verticale aisée
L'émission de lumière verticale facilite l'intégration de caractéristiques supplémentaires telles que des éléments de stabilisation de polarisation ou des systèmes micro-optiques.
Fonctionnement d'un VCSEL
Un VCSEL se compose de nombreuses couches épitaxiales développées les unes après les autres. La couche supérieure sert de couche de contact pour l'injection de courant. En dessous se trouve le premier des deux miroirs. Il est doté de carbone et se compose de plusieurs couches de AlGaAs avec différentes teneurs en aluminium. La réflectivité du miroir supérieur est en règle générale d'env. 99 %.
Après le miroir supérieur vient le diaphragme d'oxyde. Il se compose d'une matière à teneur élevée en aluminium partiellement passivée par oxydation humide. La pièce interne (non passivée) du diaphragme d'oxyde sert à la constriction du courant et au guidage optique. Le diaphragme d'oxyde définit de nombreux paramètres électrooptiques cruciaux d'un VCSEL.
Les puits quantiques sont compris dans la zone active. Celle-ci sert à l'amplification de la puissance.
Sous la zone active se trouve le deuxième miroir, doté de silicium et bien plus épais que le miroir supérieur. Il sert à la réflexion de la plus grande quantité de lumière possible dans la zone active. La réflectivité du miroir inférieur est d'env. 99,9 %.
VCSEL monomode / VCSEL multimode : quelles sont les différences ?
Il y a actuellement deux types de VCSEL : VCSEL monomode et VCSEL multimode. Un VCSEL monomode crée un faisceau lumineux avec une pureté spectrale élevée et présente une divergence plus faible ainsi qu'une performance de cohérence plus élevée qu'un VCSEL multimode. Alors que les VCSEL monomode se retrouvent assez régulièrement dans de nombreuses applications industrielles de capteurs, les VCSEL multimode très compacts sont avant tout utilisés dans des applications grand public mobiles et des capteurs fortement intégrés.
Quelles sont les applications typiques des réseaux VCSEL ?
Temps de vol (ToF)
Que ce soit pour un bloc détecteur de distance, un foyer automatique de laser ou pour des capteurs de profondeur de haute précision, les réseaux VCSEL compacts s'adaptent aux mesures allant de quelques millimètres à plusieurs mètres et sont avant tout prédestinés aux applications pour smartphone.
Lumière structurée
Les VCSEL, qui diffusent une lumière structurée sous forme de motifs de point sur une surface, permettent de représenter et d'identifier des modèles prédéfinis avec une grande précision. Les diodes laser jouent ainsi un rôle prépondérant dans la reconnaissance faciale utilisée pour le déverrouillage d'un smartphone, dans l'identification sécurisée pour le paiement par mobile ou pour l'ouverture d'une porte.
Capteurs industriels
Que ce soit en liaison avec des capteurs d'oxygène qui détectent des particules dans l'environnement ou avec des encodeurs optiques utilisés pour un positionnement d'une grande précision, les VCSEL monomode situés dans un boîtier TO hermétique sont résistants, même en cas de conditions de fonctionnement rudes.
LiDAR
Les réseaux VCSEL s'adaptent parfaitement bien aux applications LiDAR. Les temps de montée et de descente très courts des impulsions optiques permettent ainsi un mode pulsé ultra-court avec des puissances crête élevées, ce qui contribue alors à une mesure de distance accrue. La performance du système peut être augmentée de manière significative via l'adressabilité de différents segments sur les réseaux VCSEL. Les VCSEL joueront donc à l'avenir un rôle important pour la conduite autonome.
Communication optique des données via fibre de silice
Un signal codé peut être envoyé, réceptionné à l'autre extrémité et enfin décodé sous la forme d'un signal électrique via des solutions VCSEL et photodiodes. Une performance et une fiabilité élevées des composants sont alors déterminantes.
Traitement thermique industriel (systèmes de chauffage VCSEL)
Les systèmes de chauffage VCSEL à forte puissance peuvent adresser de nombreuses applications industrielles telles que l'assemblage, le soudage, le séchage, le scellage, l'adoucissement ou l'échauffement. Les sources laser basées sur des matrices VCSEL sont capables de réchauffer de grandes surfaces avec un rayonnement infrarouge orienté à longueur d'onde sélective.
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