VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) je laserová dióda, ktorá vyžaruje svetlo v lúči tvaru kužeľa, vertikálne z povrchu vyrobenej doštičky. VCSEL ponúkajú viacero výhod v porovnaní s bežnými lasermi emitovanými hranou, pri ktorých je svetlo vyžarované z jedného alebo z dvoch blokov čipu. Či už pre priemyselný trh alebo pre spotrebiteľské prostredie – VCSEL sú dostupné v rôznych vlnových dĺžkach. Štandardné vlnové dĺžky sa pritom pohybujú v oblasti 760 nm, 850 nm a 940 nm.
Výhody TRUMPF VCSEL
Čo je to vlastne VCSEL a aké výhody ponúka v porovnaní s inými laserovými diódami? Ktorá konštrukcia už umožňuje špeciálne funkcie VCSEL Array? Na tejto stránke sa okrem toho dozviete viac o dvoch typoch VCSEL ako aj všetky podrobnosti o typických oblastiach použitia laserových diód v priemyselnom a spotrebiteľskom prostredí.
Čo je to VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?
Aké výhody poskytujú VCSEL?
Optimalizovaný profil lúča
Okrúhly tvar lúča, ktorý môže mať dokonca gaussovský tvar, minimálna divergencia lúča ako aj rôzne režimy svetla (viacrežimový a jednorežimový) predurčujú VCSEL pre množstvo aplikácií.
Perfektné pre aplikácie špičkových technológií
Vďaka svojim vysokým rýchlostiam modulácie, kvalite lúča a energetickej efektivite sú VCSEL Array optimálne pre špičkové aplikácie ako napríklad 3D senzorika, LiDAR alebo optická dátová komunikácia.
Šetrí miesto a náklady
Vďaka vertikálne emitovanému laseru je možné ušetriť konštrukčný priestor a vytvoriť polia (array) s mnohými emitormi na jednom čipe. Vďaka tomu je možné vyrábať a testovať veľké množstvá na úrovni doštičiek
Vysoká energetická efektivita
Spotreba energie VCSEL vo veľmi nízkom rozsahu miliwattov umožňuje veľmi efektovnu prevádzku v mobilných aplikáciách alebo aj pri použití v dátových centrách súčasne pri výrazne nižšej spotrebe prúdu.
Krátke časy nábehu a pádu
Vďaka krátkym časom nábehu a pádu je možné pomocou VCSEL realizovať veľmi rýchly pulzný režim. Dôležité to je najmä pri použití v oblasti optickej dátovej komunikácie a pri systémoch Time-Of-Flight (ToF).
Úzkopásmová spektrálna emisia svetla
VCSEL umožňujú spektrálnu emisiu svetla s extrémne úzkym rozsahom.
Jednoduché vertikálne integrovanie
Z dôvodu vertikálnej emisie svetla je možné jednoducho integrovať dodatočné funkcie ako napríklad polarizáciu stabilizujúce prvky alebo mikro optiky.
Takto funguje VCSEL
VCSEL sa skladá z mnohých postupne rastúcich epitaxných vrstiev. Najvrchnejšia vrstva slúži ako kontaktná vrstva na vstrekovanie prúdu. Pod ňou nasleduje prvé z dvoch zrkadiel. To je legované uhlíkom a skladá sa z viacerých vrstiev AlGaAs s rôznym obsahom uhlíka. Stupeň odrazu vrchného zrkadla je spravidla na úrovni cca. 99 percent.
Za vrchným zrkadlom nasleduje oxidová clona. Tá sa skladá z materiálu s vysokým obsahom hliníka, ktorý je parciálne pasivovaný mokrou oxidáciou. Vnútorná (nepasivovaná) časť oxidovej clony slúži na zúženie prúdu a na optické vedenie. Oxidová clona definuje početné dôležité elektro-optické parametre lasera VCSEL.
V aktívnej zóne sa nachádzajú kvantové studne. Slúžia na zosilnenie výkonu.
Pod aktívnou zónou sa nachádza druhé zrkadlo, ktoré je legované kremíkom a je výrazne hrubšie ako vrchné zrkadlo. To slúži na odraz čo najväčšieho množstva svetla späť do aktívnej zóny. Stupeň odrazu spodného zrkadla je na úrovni cca. 99,9 percent.
Jednorežimové VCSEL versus viacrežimové VCSEL: Aké sú rozdiely?
V súčasnosti sú dva typy VCSEL: jednorežimový VCSEL a viacrežimový VCSEL. Jednorežimový VCSEL vytvára svetelný lúč s vysokou spektrálnou čistotou a vykazuje nižšiu divergenciu ako aj vyšší koherentný výkon ako viacrežimový VCSEL. Zatiaľ čo jednorežimové VCSEL nachádzajú veľmi často uplatnenie v početných priemyselných senzorových aplikáciách, veľmi kompaktné viacrežimové VCSEL sa využívajú najmä v mobilných spotrebiteľských aplikáciách a vysoko integrovaných senzoroch.
Aké sú typické aplikácie polí VCSEL Array?
Time-of-Flight (ToF)
Či už pre senzoriku merania vzdialenosti, automatické zaostrovanie lasera alebo pre vysoko presnú hĺbkovú senzoriku – kompaktné VCSEL Array sú vhodné na meranie od niekoľkých milimetrov až po niekoľko metrov a sú predurčené najmä pre aplikácie mobilných telefónov.
Štruktúrované svetlo
Pomocou VCSEL, ktoré vrhajú na povrch štruktúrované svetlo vo forme vzoru tvoreného bodmi, je možné vysoko presne zobrazovať a rozpoznávať preddefinované vzory. Svetelôné diódy tak zohrávajú dôležitú úlohu pri rozpoznávaní tváre pri odblokovaní mobilného telefónu, na bezpečnostnú identifikáciu pri mobilných platbách alebo pri otváraní dverí.
Priemyselné snímače
Či už v súvislosti so snímačmi obsahu kyslíka, pri ktorých sú detekované častice v okolitom vzduchu, alebo pri optických dekóderoch, ktoré sa používajú pri vysoko presnom nastavovaní polohy: jednorežimové VCSEL v hermeticky utesnenej schránke TO odolávajú dokonca aj drsným prevádzkovým podmienkam.
LiDAR
VCSEL Array sú veľmi vhodné pre aplikácie LiDAR. Veľmi krátke časy nábehu a pádu optických pulzov pritom umožňujú ultra krátke pulzy s vysokými špičkovými výkonmi, čo zas platí pre vyššie meranie vzdialenosti. Systémový výkon je možné výrazne zvýšiť možnosťou adresovania rôznych segmentov na VCSEL Array. VCSEL tak budú v budúcnosti zohrávať dôležitú úlohu v autonómnych vozidlách.
Optická dátová komunikácia cez sklenené vlákno
Pomocou riešení s VCSEL a fotodiódami je možné vysielať kódovaný signál, na druhom konci ho prijímať a nakoniec ho dekódovať na elektrický signál. Rozhodujúci je pri tom vysoký výkon a spoľahlivosť komponentov.
Priemyselná tepelná úprava (systémy ohrevu VCSEL)
Početné priemyselné aplikácie ako spájanie, zváranie, sušenie, pečatenie, odkaľovanie alebo ohrev je možné realizovať pomocou systémov ohrevu High-Power VCSEL. Zdroje lúča na báze VCSEL-Array sú schopné zohriať veľké plochy s usmernenými, selektívnymi vlnovými dĺžkami infračerveného žiarenia.
Kontakt