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As vantagens do VCSEL TRUMPF

O que é um VCSEL e quais as suas vantagens em comparação a outros diodos laser? Qual estrutura possibilita o funcionamento de matrizes VCSEL? Use esta página também para saber mais sobre os dois tipos de VCSEL e conhecer detalhes dos campos de aplicação típicos para diodos laser no ambiente industrial e de consumo.

O que é um VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?

Um VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) é um diodo laser que irradia luz sob forma de um raio cônico, a partir da superfície de um wafer fabricado. VCSEL oferecem muitas vantagens em comparação aos laser emissores de borda convencionais, nos quais a luz é emitida por um ou dois flancos do chip. Quer seja para o mercado industrial ou para ambiente de consumo, VCSEL estão disponíveis em diversos comprimentos de onda. Os comprimentos de onda variam no intervalo de 760 nm, 850 nm e 940 nm.

Quais as vantagens de um VCSEL?

Perfil de raio otimizado

A forma de raio redondo, que pode até ter forma de Gauss, a baixa divergência de feixe, bem como os diversos modos de luz (multimodo e modo único) predestinam os VCSEL para numerosas aplicações.

Perfeitos para aplicações de alta tecnologia

Suas altas velocidades de modulação, qualidade de raio e eficiência energética tornam as matrizes VCSEL ideais para aplicações de alta tecnologia, como, por exemplo, sistemas de sensores 3D, LiDAR ou comunicação óptica de dados.

Economiza espaço e custos

Através dos lasers de emissão vertical é possível economizar volume de construção e realizar matrizes com muitos emissores em um chip. Isso permite fabricar e testar em grande quantidade a nível de wafer

Alta eficiência energética

O consumo de energia dos VCSEL na faixa de pouquíssimos miliwatts permite uma operação muito eficiente em aplicações móveis ou também no uso em centros de dados, com consumo de energia elétrica bem menor.

Baixos tempos de subida e de descida

Graças aos baixos tempos de subida e de descida, o VCSEL permite realizar um funcionamento por pulsos muito rápido. Isso é importante principalmente para aplicação na comunicação de dados ópticos e em sistemas de Time-Of-Flight (ToF).

Emissão de luz espectral de banda estreita

VCSEL permitem uma emissão de luz espectral com largura de banda extremamente estreita.

Integração vertical fácil

Devido à emissão de luz vertical é fácil a integração de características adicionais, como elementos estabilizadores de polarização ou micro-ópticas.

Um VCSEL funciona assim

Um VCSEL é composto de muitas camadas epitaxiais depositadas em sequência. A camada superior serve como como camada de contato para injeção do fluxo. Abaixo segue o primeiro dos dois espelhos. Este é dotado de carbono e composto por várias camada de AlGaAs, com diferentes teores de alumínio. A reflexividade do espelho superior normalmente está em aprox. 99 por cento.

Após o espelho superior vem a mistura de óxido. Ela é composta de material com alto teor de alumínio, parcialmente passivado por oxidação úmida. A parte interna (não passivada) da mistura de óxido serve para a restrição da corrente e para a condução óptica. A mistura de óxido define numerosos importantes parâmetros eletro-ópticos de um VCSEL.

Na zona ativa estão contidos os poços quânticos. Esta serve para intensificar a potência.

Abaixo desta zona ativa está o segundo espelho, dotado de silício e significativamente mais espesso do que o espelho superior. Ele serve para reflexão do máximo de luz, de volta para a zona ativa. A reflexividade do espelho inferior está em aprox. 99,9 por cento.

VCSEL modo único x VCSEL multimodo: quais as diferenças?

Imagem tecnológica Single e Multi Mode VCSEL Laser, TRUMPF Photonic Components

Atualmente existem dois tipos de VCSEL: VCSEL modo único e VCSEL multimodo. Um VCSEL modo único cria um raio de luz com alta pureza espectral e apresenta divergência menor bem como maior potência coerente do que um VCSEL multimodo. Enquanto que os VCSEL modo único são encontrados com frequência em numerosas aplicações de sensores industriais, os VCSEL multimodo muito compactos são aplicados principalmente em aplicações de consumidores móveis e sensores com alta integração.

Quais são as aplicações típicas de matrizes VCSEL?

Time-of-Flight (ToF)

Quer seja para sistemas de sensores de distância, autofoco laser ou sistema de sensores de profundidade de alta precisão, as matrizes VCSEL compactas são adequadas para a medição de poucos milímetros até vários metros e estão predestinadas principalmente para aplicações em smartphones.

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Luz estruturada

Com VCSEL que lançam luz estruturada sob forma de um padrão de pontos sobre uma superfície é possível formar e detectar padrões especificados com alta precisão. Assim, os diodos de luz têm função importante no reconhecimento facial para desbloqueio de um smartphone, na detecção de segurança em pagamentos móveis ou na abertura de portas.

Sensores industriais

Quer seja no contexto de sensores de oxigênio, nos quais são detectadas partículas no ambiente ou nos encoders ópticos, aplicados para posicionamento de alta precisão: VCSEL de modo simples em um invólucro TO hermético resistem mesmo às condições de funcionamento severas.

LiDAR

Matrizes VCSEL são muito adequadas para aplicações LiDAR. Os tempos de subida e descida muito baixos do pulso óptico permitem pulsos ultracurtos com altas potências máximas, o que leva a uma maior medição de distância. A potência de sistema pode ser aumentada significativamente pelo endereçamento dos diversos segmentos nas matrizes VCSEL. Com isso, os VCSEL terão um papel importante nos veículos autônomos.

Comunicação de dados ópticos através de cabo de fibra de vidro

As soluções VCSEL e de fotodiodos permitem enviar um sinal codificado, recebê-lo na outra ponta e, finalmente decodificá-lo como sinal elétrico. Para isso é decisivo um alto desempenho e a confiabilidade dos componentes.

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Tratamentos térmicos industriais (sistemas de aquecimento VCSEL)

Numerosas aplicações industriais, como junção, soldar, secar, selar, amolecer ou aquecer podem ser endereçadas com sistemas de aquecimento VCSEL de alta potência. As fontes de radiação laser baseadas em matrizes VCSEL são capazes de aquecer grandes áreas com radiação infravermelha direcionada e seletiva quanto ao comprimento de onda.

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