Un VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) es un diodo láser que emite luz en un rayo en forma de cono verticalmente desde la superficie de una oblea fabricada. Los VCSEL ofrecen muchas ventajas respecto a los láseres convencionales de emisión de borde, que emiten luz en uno o dos flancos del chip. Ya sea para el mercado industrial o para el entorno del consumidor, los VCSEL están disponibles en diferentes longitudes de onda. Las longitudes de onda estándar están en el rango de 760 nm, 850 nm y 940 nm.
Las ventajas de TRUMPF VCSEL
¿Qué es realmente un VCSEL y qué ventajas ofrece en comparación con otros diodos láser? ¿Cuál es la estructura que hace posible la funcionalidad especial de las matrices VCSEL en primer lugar? En esta página también puede encontrar más información sobre los dos tipos de VCSEL y todos los detalles sobre las aplicaciones típicas de los diodos láser en entornos industriales y de consumo.
¿Qué es un VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?
¿Qué ventajas ofrecen los VCSEL?
Perfil optimizado del rayo de luz
La forma redonda del haz, que puede ser incluso gaussiana, la baja divergencia del rayo y los diferentes modos de luz (multimodo y modo individual) predestinan a los VCSEL para una gran variedad de aplicaciones.
Perfecto para aplicaciones de alta tecnología
Gracias a sus elevadas velocidades de modulación, la calidad del haz y la eficiencia energética, las matrices VCSEL son ideales para aplicaciones de alta tecnología como la detección 3D, el LiDAR o la comunicación óptica de datos.
Ahorra tiempo y costes
Los láseres de emisión vertical pueden ahorrar volumen constructivo y se pueden realizar matrices con muchos emisores en un solo chip. Esto permite una producción y pruebas en grandes cantidades a nivel de oblea
Alta eficiencia energética
El consumo de energía de los VCSEL en el rango de los muy bajos milivatios permite un funcionamiento muy eficiente en aplicaciones móviles, o incluso cuando se utilizan en centros de datos, al tiempo que se reduce significativamente el consumo de electricidad.
Tiempos cortos de subida y bajada
Gracias a los cortos tiempos de subida y bajada, se puede realizar un funcionamiento pulsado muy rápido con VCSEL. Esto es especialmente importante para su uso en la comunicación óptica de datos y los sistemas de Time-Of-Flight (ToF).
Emisión de luz espectral de banda estrecha
Los VCSEL permiten la emisión de luz espectral con un ancho de banda extremadamente estrecho.
Integración vertical sencilla
Gracias a la emisión de luz vertical, se pueden integrar fácilmente elementos adicionales como elementos estabilizadores de la polarización o microópticos.
Así funciona un VCSEL
Un VCSEL está formado por muchas capas epitaxiales crecidas sucesivamente. La capa superior sirve como capa de contacto para la inyección de corriente. El primero de los dos espejos sigue a continuación. Este contiene carbono y se compone de varias capas de AlGaAs con diferentes contenidos de aluminio. La reflectividad del espejo superior suele ser de alrededor del 99 %.
Después del espejo superior viene el diafragma de óxido. Se trata de un material con un alto contenido de aluminio, que está parcialmente pasivado por oxidación húmeda. La parte interior (no pasivada) del diafragma de óxido se utiliza para la constricción de la corriente y el guiado óptico. El diafragma de óxido define numerosos e importantes parámetros electroópticos de un VCSEL.
La zona activa contiene los pozos cuánticos. Esto sirve para reforzar la potencia.
Debajo de la zona activa se encuentra el segundo espejo, que contiene silicio y es significativamente más grueso que el espejo superior. Esto sirve para reflejar la mayor cantidad de luz posible hacia la zona activa. La reflectividad del espejo inferior es de alrededor del 99,9 %.
VCSEL de modo individual frente a VCSEL multimodo: ¿dónde están las diferencias?
Actualmente existen dos tipos de VCSEL: VCSEL modo individual y VCSEL multimodo. Un VCSEL de modo individual produce un rayo de luz con alta pureza espectral y tiene menor divergencia y mayor potencia de coherencia que un VCSEL multimodo. Mientras que los VCSEL de modo individual se encuentran con especial frecuencia en numerosas aplicaciones de sensores industriales, los VCSEL multimodo, muy compactos, se utilizan principalmente en aplicaciones móviles de consumo y en sensores altamente integrados.
¿Cuáles son las aplicaciones típicas de las matrices VCSEL?
Time-of-Flight (ToF)
Ya sea para la unidad de sensores de distancia, el dispositivo de autoenfoque láser o la detección de profundidad de alta precisión, las matrices VCSEL compactas son adecuadas para realizar mediciones desde unos pocos milímetros hasta varios metros y están predestinadas sobre todo a aplicaciones en smartphones.
Luz estructurada
Con los VCSEL, que proyectan luz estructurada en forma de patrón de puntos sobre una superficie, se pueden obtener imágenes de patrones predefinidos y detectarlos con gran precisión. Por ejemplo, los diodos luminosos desempeñan un papel importante en el reconocimiento facial al desbloquear un smartphone para el reconocimiento de seguridad al realizar pagos con el móvil o al abrir puertas.
Sensores industriales
Ya sea en el contexto de los sensores de oxígeno que detectan partículas en el ambiente o de los codificadores ópticos que se utilizan para el posicionamiento de alta precisión: los VCSEL de modo individual en una carcasa TO herméticamente cerrada soportan incluso las más duras condiciones de funcionamiento.
LiDAR
Las matrices VCSEL son muy adecuadas para las aplicaciones LiDAR. Los bajísimos tiempos de subida y bajada de los pulsos ópticos hacen posible una pulsación ultracorta con altas potencias de cresta, lo que a su vez contribuye a una mayor medición de la distancia. El rendimiento del sistema puede aumentar significativamente si se abordan diferentes segmentos en las matrices VCSEL. Por tanto, los VCSEL desempeñarán un papel importante en la conducción autónoma en el futuro.
Comunicación óptica de datos por fibra óptica
Las soluciones VCSEL y de fotodiodos permiten enviar una señal codificada, recibirla en el otro extremo y finalmente descodificarla en una señal eléctrica. El alto rendimiento y la fiabilidad de los componentes son cruciales.
Tratamiento térmico industrial (sistemas de calor VCSEL)
Numerosas aplicaciones industriales, como la tecnología de unión, la soldadura, el secado, el sellado, el ablandamiento o el calentamiento, pueden abordarse con sistemas de calentamiento VCSEL de alta potencia. Las fuentes del rayo basadas en matrices VCSEL son capaces de calentar grandes áreas con radiación infrarroja selectiva de longitud de onda dirigida.
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