VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser ‑ полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором) представляет собой лазерный диод, который излучает свет в виде конусообразного пучка вертикально от поверхности изготовленной пластины. VCSEL обладают многими преимуществами по сравнению с обычными лазерами с краевым излучением, которые излучают свет с одного или двух краев чипа. Лазеры VCSEL доступны с различными длинами волн и применяются как в промышленности, так и на потребительском рынке. Стандартные длины волн находятся в диапазоне 760 нм, 850 нм и 940 нм.
Преимущества лазеров VCSEL TRUMPF
Что такое лазер VCSEL и какие преимущества он дает по сравнению с другими лазерными диодами? Какое строение делает возможным особый принцип работы матриц VCSEL? На этой странице вы также можете узнать больше о двух типах VCSEL и все подробности о типичных областях применения лазерных диодов в промышленности и на потребительском рынке.
Что такое VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser)?
Какие преимущества дают лазеры VCSEL?
Оптимизированный профиль луча
Круглая форма луча, который может быть даже в виде Гауссова пучка, низкая дивергенция луча и различные световые моды (многомодовый и одномодовый лазеры) предопределяют применение лазеров VCSEL в различных областях.
Идеально подходят для высокотехнологичных областей применения
Благодаря высокой скорости модуляции, качеству излучения и эффективности использования энергии, матрицы VCSEL идеально подходят для высокотехнологичных областей применения, таких как 3D системы сенсорных датчиков, лидары или оптическая передача данных.
Экономия пространства и затрат
Вертикально-излучающие лазеры позволяют экономить место для установки, а матрицы с большим количеством излучателей могут быть реализованы на одном чипе. Это позволяет производить большие объемы продукции и проводить испытания на уровне пластин.
Высокая эффективность использования энергии
Потребляемая мощность лазеров VCSEL, составляющая очень мало милливатт, позволяет очень эффективно им работать в мобильных устройствах и даже в центрах обработки данных, в то же время значительно снижая энергопотребление.
Короткое время нарастания и спада
Благодаря короткому времени нарастания и спада, с помощью VCSEL можно реализовать очень быстрый импульсный режим. Это особенно важно для использования в оптической передаче данных и во времяпролетных системах (Time-Of-Flight, ToF).
Узкополосное спектральное световое излучение
Лазеры VCSEL обеспечивают спектральное световое излучение с чрезвычайно узкой полосой пропускания.
Простая вертикальная интеграция
Благодаря вертикальному световому излучению можно легко интегрировать дополнительные функции, такие как поляризационно-стабилизирующие элементы или микрооптика.
Как работает лазер VCSEL
Лазер VCSEL (полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором) состоит из множества последовательно выращенных эпитаксиальных слоев. Верхний слой служит в качестве контактного слоя для инжекции тока. Далее следует первое из двух зеркал. Оно легировано углеродом и состоит из нескольких слоев арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) с различным содержанием алюминия. Отражательная способность верхнего зеркала обычно составляет около 99 процентов.
После верхнего зеркала располагается оксидированная апертура. Она состоит из материала с высоким содержанием алюминия, который частично пассивируется окислением в парах воды. Внутренняя (непассивированная) часть оксидированной апертуры используется для сужения тока и оптического направления. Оксидированная апертура определяет множество важных электрооптических параметров лазера VCSEL.
Активная зона содержит квантовые ямы. Они служат для усиления мощности.
Под активной зоной расположено второе зеркало, которое легировано кремнием и значительно толще верхнего зеркала. Оно служит для того, чтобы отразить как можно больше света обратно в активную зону. Отражательная способность нижнего зеркала обычно составляет около 99,9 процента.
Одномодовые и многомодовые лазеры VCSEL: в чем их различия?
В настоящее время существует два типа лазеров VSCEL: одномодовый и многомодовый. Одномодовый лазер VCSEL создает световой луч с высокой спектральной чистотой и имеет меньшую дивергенцию и большую мощность когерентности, чем многомодовый лазер VCSEL. В то время как одномодовые лазеры VCSEL особенно часто применяются в многочисленных промышленных датчиках, очень компактные многомодовые лазеры VCSEL используются в основном в мобильной потребительской электронике и высокоинтегрированных датчиках.
Где обычно применяются матрицы VCSEL?
Время пролета (ToF)
Будь то датчики расстояния, лазерная автоматическая фокусировка или высокоточное определение глубины ‑ компактные матрицы VCSEL подходят для измерений от нескольких миллиметров до нескольких метров и предназначены прежде всего для применения в смартфонах.
Структурированная система освещения
С помощью лазеров VCSEL, которые отбрасывают структурированный свет в виде точечного рисунка на поверхность, можно отображать и распознавать заданные рисунки с высокой точностью. Например, светодиоды играют важную роль в распознавании лиц при разблокировке смартфона, при безопасной идентификации в мобильных платежах или при открывании дверей.
Промышленные датчики
Будь то датчики кислорода, обнаруживающие частицы в окружающей среде, или оптические кодировщики, используемые для высокоточного позиционирования: одномодовые лазеры VCSEL в герметичном корпусе TO выдерживают даже жесткие условия эксплуатации.
Лидары
Матрицы VCSEL очень хорошо подходят для применения в лидарах. Очень короткое время нарастания и спада оптических импульсов позволяет создавать ультракороткие импульсы с высокой пиковой мощностью, что в свою очередь способствует измерению больших расстояний. Эксплуатационные характеристики системы могут быть значительно улучшены за счет адресации различных сегментов в матрицах VCSEL. Таким образом, лазеры VCSEL сыграют важную роль в системах автономного вождения в будущем.
Оптическая передача данных по кварцевому стекловолокну
Решения на основе лазеров VCSEL и фотодиодов позволяют отправлять кодированный сигнал, принимать его на другом конце и, наконец, декодировать в электрический сигнал. При этом высокая производительность и надежность компонентов имеют решающее значение.
Промышленная термообработка (системы нагрева VCSEL)
Различные промышленные задачи, такие как соединение, сварка, сушка, герметизация, пластификация или нагрев, могут быть решены с помощью мощных систем нагрева VCSEL. Источники излучения на базе массивов вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) в состоянии нагревать большие поверхности с помощью направленного инфракрасного излучения с селекцией по длинам волн.
Контакты