Un VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) è un diodo laser che irradia luce in un raggio conico perpendicolarmente alla superficie di un wafer creato. I VCSEL offrono molti vantaggi rispetto ai laser tradizionali con emissione laterale dal bordo, dove la luce esce su uno o due bordi del chip. Sia per il mercato industriale che per il settore consumer, i VCSEL sono disponibili in svariate lunghezze d'onda. Le lunghezze d'onda standard si muovono nell'intervallo di 760 nm, 850 nm e 940 nm.
I vantaggi dei VCSEL TRUMPF
Cos'è effettivamente un VCSEL e che vantaggi offre rispetto agli altri diodi laser? Quale struttura rende possibile il funzionamento speciale degli array VCSEL? Scoprite in questa pagina maggiori informazioni sui due tipi di VCSEL, nonché tutti i dettagli sui campi applicativi tipici dei diodi laser nel settore industriale e consumer.
Cos'è un VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?
Che vantaggi offrono i VCSEL?
Profilo del raggio ottimizzato
La forma rotonda del fascio (a volte anche gaussiana), la bassa divergenza del raggio e i diversi modi luminosi (Multi Mode e Single Mode) rendono i VCSEL ideali per svariate applicazioni.
Perfetti per applicazioni di alta tecnologia
Grazie alle elevate velocità di modulazione, qualità del fascio ed efficienza energetica, gli array VCSEL si prestano alla perfezione alle applicazioni high-tech, come ad esempio al sistema a sensori 3D, alla tecnica LiDAR o alla comunicazione dati ottica.
Fa risparmiare spazio e denaro
L'emissione verticale del laser permette di risparmiare sul volume di costruzione e di realizzare degi array con molti emettitori su un unico chip. È quindi possibile produrre e controllare un numero elevato di pezzi a livello di wafer
Elevata efficienza energetica
La potenza elettrica assorbita dei VCSEL nell'intervallo molto basso di milliwatt permette un funzionamento estremamente efficiente in applicazioni mobili o anche nell'impiego in centri di dati con al tempo stesso un consumo di corrente notevolmente ridotto.
Tempi di salita e caduta brevi
Grazie ai brevi tempi di salita e caduta VCSEL permette di realizzare un funzionamento a impulsi molto rapido. Ciò è particolarmente importante per l'impiego nella comunicazione dati ottica e nei sistemi time-of-flight (ToF).
Emissione di luce spettrale in banda stretta
I VCSEL permettono di ottenere un'emissione di luce spettrale con una larghezza di banda estremamente stretta.
Facile integrazione verticale
L'emissione di luce verticale agevola l'integrazione di caratteristiche aggiuntive quali elementi che stabilizzano la polarizzazione o micro sistemi ottici.
Ecco come funziona un VCSEL
Un VCSEL è composto da molti strati epitattici sviluppati uno dopo l'altro. Lo strato superiore funge da strato di contatto per l'iniezione di corrente. È seguito sotto dal primo dei due specchi, dotato di carbonio e composto da più strati di AlGaAs con diverso tenore di alluminio. La reflettività dello specchio superiore di norma corrisponde a ca. il 99%.
Dopo lo specchio superiore c'è il diaframma di ossido, che è composto da un materiale ad alto tenore di alluminio passivato parzialmente tramite l'ossidazione in aria umida. La parte interna (non passivata) del diaframma di ossido serve per restringere la corrente e per la guida ottica. Il diaframma di ossido definisce svariati parametri importanti elettroottici di un VCSEL.
La zona attiva contiene i pozzi quantici, che servono per rinforzare la potenza.
Sotto la zona attiva è collocato il secondo specchio, dotato di silicio e nettamente più spesso dello specchio superiore. Ha lo scopo di riflettere indietro nella zona attiva più luce possibile. La reflettività dello specchio inferiore corrisponde a ca. il 99,9%.
Single Mode VCSEL e Multi Mode VCSEL a confronto: cosa li distingue?
Al momento ci sono due tipi di VCSEL: Single Mode VCSEL e Multi Mode VCSEL. Un Single Mode VCSEL genera un raggio luminoso dall'elevata purezza spettrale e presenta una divergenza minore nonché delle prestazioni di coerenza maggiori rispetto a un Multi Mode VCSEL. Mentre i Single Mode VCSEL si ritrovano molto spesso in numerose applicazioni industriali basate su sensori, i Multi Mode VCSEL dalla struttura estremamente compatta vengono impiegati soprattutto nelle applicazioni mobile consumer e in sensori a elevata integrazione.
Quali sono le applicazioni tipiche degli array VCSEL?
Time-of-flight (ToF)
Che siano per i sensori di distanza, la messa a fuoco automatica del laser o il sistema a sensori di profondità di alta precisione, i compatti array VCSEL sono adatti alle misurazioni di pochi millimetri fino a più metri, risultando ideali soprattutto negli impieghi su smartphone.
Luce strutturata
Con i VCSEL, che proiettano la luce strutturata su una superficie sotto forma di modello a punti, è possibile raffigurare e riconoscere in modo altamente preciso i modelli predefiniti. I diodi luminosi svolgono così un ruolo fondamentale nel riconoscimento facciale per lo sblocco degli smartphone, nonché per il riconoscimento di sicurezza con il mobile payment o all'apertura delle porte.
Sensori industriali
Che siano in relazione ai sensori dell'ossigeno dove si rilevano le particelle nell'area circostante o ai codificatori ottici impiegati per un posizionamento di alta precisione, i Single Mode VCSEL in un alloggiamento TO a tenuta ermetica resistono anche a condizioni di funzionamento difficili.
LiDAR
Gli array VCSEL si prestano bene alle applicazioni LiDAR. I tempi di salita e discesa molto brevi degli impulsi ottici permettono di ottenere degli impulsi ultrabrevi con elevate potenze di picco, che a loro volta contribuiscono a una maggiore misurazione della distanza. L'indirizzabilità dei diversi segmenti sugli array VCSEL può migliorare nettamente le prestazioni del sistema. I VCSEL svolgeranno quindi un ruolo importante per la guida autonoma.
Comunicazione dati ottica tramite fibra in vetro di quarzo
Le soluzioni basate su VCSEL e fotodiodi permettono di trasmettere un segnale codificato che, una volta ricevuto all'altro capo, viene decodificato in un segnale elettrico. A tal fine sono fondamentali le alte prestazioni e l'affidabilità dei componenti.
Trattamento termico industriale (sistemi di riscaldamento VCSEL)
I sistemi di riscaldamento VCSEL High Power permettono di affrontare numerose applicazioni industriali, tra cui assemblaggio, saldatura, asciugatura, sigillatura, addolcimento e riscaldamento. Le apparecchiature laser basate su array VCSEL sono in grado di riscaldare ampie superfici con irradiazione mirata di raggi infrarossi con lunghezza d'onda selettiva.
Contatto