Een VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) is een laserdiode die licht in een kegelvormige straal verticaal van een oppervlak van een geproduceerde wafer straalt. VCSEL's bieden vele voordelen in vergelijking met gebruikelijke randemitterende lasers, waarbij licht aan een of twee flanken van de chips ontsnapt. Of het nu voor de industriële markt is of voor consumentengebruik - VCSEL's zijn in verschillende golflengten beschikbaar. De standaardgolflengten variëren daarbij in een bereik van 760 nm, 850 nm en 940 nm.
De voordelen van TRUMPF VCSEL
Wat is eigenlijk een VCSEL en welke voordelen biedt hij in vergelijking met andere laserdioden? Welke constructie maakt de speciale werkwijze van VCSEL-arrays mogelijk? Lees op deze pagina bovendien meer over de twee soorten VCSEL's en alle informatie over typische toepassingsgebieden van laserdioden in industrie- en consumentenomgevingen.
Wat is een VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser)?
Welke voordelen bieden VCSEL's?
Geoptimaliseerd straalprofiel
De ronde straalvorm, die zelfs Gaussiaans kan zijn, de lage straaldivergentie en de verschillende lichtmodi (multi-mode en single-mode) bestemmen de VCSEL voor een veelvoud aan toepassingen voor.
Perfect voor hightechtoepassingen
Door zijn hoge modulatiesnelheiden, de straalkwaliteit en energie-efficiëntie zijn VCSEL-arrays optimaal geschikt voor hightechtoepassingen zoals 3D-sensorsystemen, LiDAR of optische datacommunicatie.
Dat scheelt plaats en kosten
Door de verticaal emitterende laser kan bouwvolume worden bespaard en arrays met vele emitters op één chip worden gerealiseerd. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden op waferniveau worden vervaardigd en getest.
Hoge energie-efficiëntie
Het energieverbruik van de VCSEL in het zeer lage milliwatt-bereik maakt een zeer efficiënte werking in mobiele toepassingen of bij gebruik in datacenters met tegelijkertijd een aanzienlijk lager stroomverbruik mogelijk.
Korte stijg- en daaltijden
Dankzij een korte stijg- en daaltijden kan met VCSEL een zeer snelle pulswerking worden gerealiseerd. Dit is vooral belangrijk bij de toepassingen in de optische datacommunicatie en bij Time-Of-Flight-systemen (ToF).
Spectrale lichtemissie in smalband
VCSEL's maken een spectrale lichtemissie mogelijk met een extreem smalle bandbreedte.
Eenvoudige verticale integratie
Op grond van verticale lichtemissie kunnen extra functies, zoals polarisatiestabiliserende elementen of micro-optiek, gemakkelijk worden geïntegreerd.
Zo werkt een VCSEL
Een VCSEL bestaat uit veel elkaar opvolgende, gegroeide epitaxale lagen. De bovenste laag dient als contactlaag voor de krachtinjectie. Daaronder volgt een eerste spiegel van in totaal twee spiegels. Dit is voorzien van koolstof en bestaat uit meerdere lagen van AIGaA's met verschillend aluminiumgehalte. De reflectiviteit van de bovenste spiegel is over het algemeen ca. 99 procent.
Na de bovenste spiegel volgt het oxidescherm. Dit bestaat uit materiaal met hoog aluminiumgehalte dat door middel van natte oxidatie deels gepassiveerd wordt. Het binnenste (niet gepassiveerde) deel van het oxidescherm dient als stroombeperking en als optische geleiding. Het oxidescherm bepaalt de vele belangrijke elektro-optische parameters van een VCSEL.
In de actieve zone zijn kwantumbronnen opgenomen. Deze dient ter versterking van het vermogen.
Onder de actieve zone ligt de tweede spiegel, voorzien van silicium, en deze spiegel is duidelijk dikker dan de bovenste spiegel. Dit zorgt ervoor dat de reflectie zo veel mogelijk al het licht terugstuurt naar de actieve zone. De reflectiviteit van de onderste spiegel ligt rond de 99,9 procent.
Single-mode VCSEL vs. multi-mode VCSEL: wat is het verschil?
Momenteel zijn er twee soorten VCSEL's: single-mode VCSEL en multi-mode VCSEL. Een single-mode VCSEL genereert een lichtstraal met een hoog spectrale zuiverheid en toont een lagere divergentie en een hoger coherentievermogen dan een multi-mode VCSEL. Terwijl de single-mode VCSEL in talrijke industriële sensortoepassingen wordt ingezet, worden de zeer compacte multi-mode VCSEL's vooral in mobiele consumententoepassingen en hooggeïntegreerde sensors gebruikt.
Wat zijn typische toepassingen van VCSEL-arrays?
Time-of-Flight (ToF)
Of het nu voor afstandsensorsystemen is, voor laser-autofocus of voor hoogprecieze dieptesensorsystemen - de compacte VCSEL-arrays zijn geschikt voor de metingen van enkele millimeters tot en met meerdere meters, en zijn vooral bestemd voor toepassingen in smartphones.
Gestructureerd licht
Met VCSEL's, die gestructureerd licht in de vorm van een stippenpatroon op een oppervlak projecteren, kunnen vooraf bepaalde patronen zeer nauwkeurig worden afgebeeld en herkend. Zo spelen de lichtdioden een belangrijke rol in de gezichtsherkenning bij het deblokkeren van een smartphone, bij veiligheidsherkenning bij mobiel betalen en bij het openen van deuren.
Industriële sensors
Of het nu in combinatie met zuurstofsensoren is, waar deeltjes in de omgeving worden gedetecteerd, of met optische encoders, die voor een uiterst nauwkeurige positionering worden toegepast: single-mode VCSEL's in een hermetisch afgesloten TO-behuizing zijn bestand tegen zelfs de zwaarste bedrijfsomstandigheden.
LiDAR
VCSEL-arrays zijn zeer goed geschikt voor LiDAR-toepassingen. De zeer lage stijg- en daaltijden van de optische pulsen maken daarbij ultrakorte pulsen met piekvermogens mogelijk, wat op zijn beurt weer leidt tot een hogere afstandsmeting. Het systeemverogen kan door de regeling van verschillende segmenten op de VCSEL-arrays aanzienlijk worden verbeterd. VCSEL's spelen daarbij in de toekomst voor het autonome rijden een belangrijke rol.
Optische datacommunicatie via glasvezels
Door oplossingen met VCSEL en fotodioden kan een gecodeerd signaal verzonden, aan het andere uiteinde ontvangen en vervolgens in een elektrisch signaal gecodeerd worden. Daarbij maken een hoge prestatie en betrouwbaarheid van de componenten een groot verschil.
Industriële warmtebehandeling (VCSEL-verwarmingssystemen)
Talrijke industriële toepassingen, zoals voegen, lassen, drogen, verzegelen, ontharden of verhitten, kunnen met high-power-VCSEL-verwarmingssystemen worden aangepakt. De laserstralingsbronnen op basis van VCSEL-arrays kunnen grote oppervlakken verwarmen met gerichte, golflengteselectieve infraroodstraling.
Contact