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?
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.
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.
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
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.
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.
VCSEL ermöglichen eine spektrale Lichtemission mit einer extrem schmalen Bandbreite.
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.