VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser) to dioda laserowa, która emituje światło w postaci promienia o kształcie stożka pionowo z powierzchni wytworzonej płytki. Lasery VCSEL mają wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi laserami krawędziowymi, które emitują światło na jednej lub dwóch krawędziach czipa. Niezależnie od tego, czy chodzi o rynek przemysłowy, czy o środowisko konsumenckie, lasery VCSEL są dostępne w różnych długościach fal. Standardowa długość fal mieści się w zakresie 760 nm, 850 nm i 940 nm.
Zalety TRUMPF VCSEL
Czym jest VCSEL i jakie ma zalety w porównaniu z innymi diodami laserowymi? Jak wygląda konstrukcja, która w pierwszej kolejności umożliwia szczególną funkcjonalność VCSEL Array? Na tej stronie można również dowiedzieć się więcej o dwóch typach VCSEL oraz poznać wszystkie szczegóły dotyczące typowych zastosowań diod laserowych w środowisku przemysłowym i konsumenckim.
Czym jest VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser)?
Jakie korzyści oferuje VCSEL?
Zoptymalizowany profil wiązki
Okrągły kształt wiązki, który może być nawet gaussowski, mała rozbieżność wiązki i różne tryby świecenia (Multimode i Singlemode) czynią lasery VCSEL odpowiednimi do różnych zastosowań.
Doskonałe do zastosowań w zaawansowanych technologiach
Ze względu na wysoką szybkość modulacji, jakość promienia i wydajność energetyczną VCSEL Array idealnie nadają się do zastosowań w zaawansowanych technologiach, takich jak układy sensoryczne 3D, LiDAR czy optyczna transmisja danych.
Oszczędza miejsce i redukuje koszty
Pionowo emitujące lasery pozwalają zaoszczędzić miejsce w obszarze obróbki, a szeregi z wieloma emiterami można umieścić na jednym chipie. Umożliwia to produkcję dużej liczby sztuk i testowanie na poziomie płytki
Wysoka wydajność energetyczna
Pobór mocy przez lasery VCSEL w bardzo niskim zakresie miliwatów umożliwia wyjątkowo wydajną pracę w zastosowaniach mobilnych, a nawet w centrach danych, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu zużycia energii.
Krótki czas narastania i opadania
Dzięki krótkim czasom narastania i opadania za pomocą VCSEL można bardzo szybko pracować w trybie impulsowym. Jest to szczególnie ważne w przypadku optycznej transmisji danych i systemów Time-Of-Flight (ToF).
Wąskopasmowa spektralna emisja światła
Laser VCSEL umożliwia emisję światła o bardzo wąskim paśmie.
Prosta integracja pionowa
Ze względu na pionową emisję światła można łatwo zintegrować dodatkowe elementy, takie jak elementy stabilizujące polaryzację lub mikroukłady optyczne.
Tak działa VCSEL
VCSEL składa się z wielu nakładających się na siebie warstw epitaksjalnych. Warstwa wierzchnia służy jako warstwa kontaktowa do iniekcji prądu. Pod nią znajduje się pierwsze z dwóch zwierciadeł. Posiada ono domieszkę węgla i składa się z kilku warstw AlGaAs o różnej zawartości aluminium. Odbicie górnego zwierciadła wynosi zazwyczaj około 99%.
Za zwierciadłem górnym znajduje się membrana tlenkowa. Składa się ona z materiału o wysokiej zawartości aluminium, który podlega częściowej pasywacji przez utlenianie na mokro. Wewnętrzna (niepodlegająca pasywacji) część membrany tlenkowej jest używana do zwężania prądu i prowadzenia optycznego. Membrana tlenkowa definiuje wiele ważnych parametrów elektrooptycznych VCSEL.
W strefie aktywnej znajdują się studnie kwantowe. Służy ona do wzmocnienia mocy.
Poniżej strefy aktywnej znajduje się drugie zwierciadło, które zawiera domieszkę krzemu i jest znacznie grubsze od zwierciadła górnego. Służy ono odbijaniu jak największej ilości światła z powrotem do strefy aktywnej. Odbicie dolnego zwierciadła wynosi zazwyczaj około 99,9%.
VCSEL Singlemode a VCSEL Multimode: czym się różnią?
Obecnie istnieją dwa typy laserów VSCEL: VSCEL Singlemode i VSCEL Multimode. VCSEL Singlemode wytwarza wiązkę świetlną o wysokiej czystości spektralnej, mniejszej rozbieżności i większej mocy koherencji niż VCSEL Multimode. Laser VCSEL Singlemode jest szczególnie często spotykany w wielu przemysłowych zastosowaniach czujników, natomiast bardzo kompaktowe lasery VCSEL Multimode są wykorzystywane przede wszystkim w mobilnych zastosowaniach konsumenckich i wysoce zintegrowanych czujnikach.
Jakie są typowe zastosowania VCSEL Array?
Time-of-Flight (ToF)
Kompaktowe lasery VCSEL Array nadają się do pomiarów w zakresie od kilku milimetrów do kilku metrów i są przeznaczone przede wszystkim do zastosowań w smartfonach – zarówno do pomiaru odległości, jak i do laserowego autofokusa czy też do bardzo precyzyjnego pomiaru głębokości.
Ustrukturyzowane światło
Za pomocą laserów VCSEL, które emitują na powierzchnię punktowe światło strukturalne, można z dużą precyzją odwzorowywać i rozpoznawać predefiniowane wzory. Diody świetlne odgrywają ważną rolę w funkcji rozpoznawania twarzy przy odblokowywaniu smartfona, rozpoznawaniu zabezpieczeń przy dokonywaniu płatności mobilnych lub przy otwieraniu drzwi.
Czujniki przemysłowe
Zarówno w kontekście czujników tlenu, które wykrywają cząsteczki w środowisku, jak i enkoderów optycznych używanych do bardzo precyzyjnego pozycjonowania: VCSEL Singlemode w hermetycznie zamkniętej obudowie TO wytrzymują nawet trudne warunki eksploatacji.
LiDAR
Lasery VCSEL Array bardzo dobrze nadają się do zastosowań typu LiDAR. Bardzo niskie czasy narastania i opadania impulsów optycznych umożliwiają uzyskanie ultrakrótkiego impulsowania o dużych mocach maksymalnych, co z kolei przyczynia się do zwiększenia możliwości pomiaru odległości. Wydajność systemu można znacznie zwiększyć, adresując różne segmenty w VCSEL Array. Lasery VCSEL będą więc w przyszłości odgrywać ważną rolę w obszarze jazdy autonomicznej.
Optyczna komunikacja danych za pomocą włókien szklanych
Rozwiązania VCSEL i fotodiody umożliwiają wysyłanie zakodowanego sygnału, odbieranie go na drugim końcu i dekodowanie do postaci sygnału elektrycznego. Kluczowe znaczenie ma wysoka wydajność i niezawodność komponentów.
Przemysłowa obróbka cieplna (systemy grzewcze VCSEL)
Liczne zastosowania przemysłowe, takie jak łączenie, spawanie, suszenie, uszczelnianie, zmiękczanie lub podgrzewanie, można realizować za pomocą systemów grzewczych VCSEL o dużej mocy. Aparatury laserowe na bazie tablic VCSEL pozwalają na podgrzanie dużych powierzchni z wykorzystaniem kierowanego, selektywnego promieniowania podczerwonego.
Kontakt