Länder-/Regionen- und Sprachauswahl

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 typische Anwendungsfeldern der Laserdioden im Industrie- und Consumer-Umfeld.

Was ist ein VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?

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.

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?

Technologiebild Single- und Multi-Mode VCSEL Laser, TRUMPF Photonic Components

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.

Mehr Erfahren

Strukturiertes Licht

Mit VCSEL, die strukturiertes Licht in Form von einem Punktemuster auf eine Oberfläche werfen, lassen sich vorgegeben 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, dir 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.

Mehr Erfahren

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 Infratorstrahlung zu erwärmen.

Mehr Erfahren

Diese Themen könnten Sie auch interessieren

Technologiebild Single- und Multi-Mode VCSEL Laser, TRUMPF Photonic Components
Single- und Multi-Mode-VCSEL

Das TRUMPF VCSEL Portfolio (Single Mode und Multi Mode) zeichnet sich durch einen universellen Einsatzbereich in diversen Sensorikapplikationen aus.

Technologiebild integrierte VCSEL Lösungen
Integrierte VCSEL Lösungen

Die TRUMPF VCSEL Module und Sensoren zeichnen sich durch einen universellen Einsatzbereich in vielen Applikationen im professionellen und Consumer-Bereich aus.

VCSEL Heizsysteme Überblick
VCSEL Heizsysteme

Laserquellen auf Basis von VCSEL-Arrays erwärmen große Flächen mit gerichteter Infrarotstrahlung. Dabei können die Emissionszonen der VCSEL Heizsysteme individuell gesteuert werden, für eine hohe Präzision und Kontrolle.

Kontakt
TRUMPF Gruppe
E-Mail
Service & Kontakt