En VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) är en laserdiod som utstrålar en kägelformad stråle vertikalt från ytan på en tillverkad wafers. VCSEL har många fördelar jämfört med vanliga kantavgivande lasrar, där ljud träder ut på en eller två flanker av chippet. Om för den industriella marknaden eller konsumentmiljö – VCSEL finns i olika våglängder. Standardvåglängderna rör sig inom områdena 760 nm, 850 nm och 940 nm.
Fördelarna med TRUMPF VCSEL
Vad är egentligen en VCSEL och vilka fördelar har den jämfört med andra laserdioder? Vilken uppbyggnad gör det speciella funktionssättet på VCSEL Arrays möjlig över huvudtaget? Informera dig dessutom om de två typerna av VCSEL samt alla detaljer om typiska användarfel av laserdioder inom industri- och konsumentkretsar på den här sidan.
Vad är en VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser)?
Vilka fördelar har VCSEL?
Optimerad strålprofil
Den runda strålformen, som till och med kan vara en gausstråle, den låga stråldivergensen samt de olika ljuslägena (multimode och singlemode) gör VCSEL utmärkt för ett stort antal applikationer.
Perfekt för högteknologiapplikationer
Genom sina höga modulationshastigheter, strålkvaliteten och energieffektiviteten är VCSEL Arrays lämpliga för high-tech applikationer som exempelvis 3D-sensorsystem, LiDAR eller optisk datakommunikation.
Sparar plats och pengar
Den vertikalt emitterande lasern kan dra ner på byggvolymen och arrays med många utsändare kan omsättas på ett chip. På så sätt kan man tillverka och testa ett stort stycktal på wafernivå
Hög energieffektivitet
Effektförbrukningen på VCSEL i mycket låg milliwatt möjliggör en mycket effektiv drift i mobila applikationer eller även vid användning i datacentraler i kombination med mycket lägre strömförbrukning.
Kortra öknings- och falltider
Tack vare korta öknings- och falltider kan en mycket snabb pulsdrift förverkligas med VCSEL. Det är framförallt viktigt när den används inom optisk datakommunikation och vid Time-Of-Flight (ToF) system.
Spektral ljusemission med smalt band
VCSEL möjliggör en spektral ljusemission med en extremt smal bandbredd.
Enkel vertikal integrering
Med hjälp av den vertikala ljusemissionen kan extra funktioner som polariseringsstabiliserande element eller mikro-optiker enkelt integreras.
Så här fungerar en VCSEL
En VCSEL består av många epitaxiska skikt som växer på efter varandra. Det översta skiktet fungerar som kontaktskikt för ströminjektion. Därunder sitter den första av de två speglarna. Denna är utrustad med kol och är sammansatt av flera skikt av AIGaAS med olika aluminiumhalt. Reflektionsgraden på den övre spegeln ligger normalt sätt på ca. 99 procent.
Efter den övre spegeln kommer oxidskärmen. Denna består av material med hög aluminiumhalt vilket delvis passivseras genom fukt-oxidation. Den inre (inte passiviserade) delen av oxidskärmen är till för strömbegränsning och för optisk support. Oxidskärmen definierar ett stort antal viktiga eloptiska parametrar i en VCSEL.
I den aktiva zonen ingår kvantbrunnarna. Dessa stärker effekten.
Under den aktiva zonen ligger den andra spegeln som är utrustad med kisel och betydligt tjockare än den övre spegeln. Denna är till för spegling av så många ljus som möjligt i den aktiva zonen. Reflektionsgraden på den nedre spegeln ligger på ca. 99,9 procent.
Singlemode-VCSEL vs. multimode-VCSEL: Var är skillnaderna?
Aktuellt finns det två typer av VCSEL: Singlemode-VCSEL och multimode-VCSEL. En singlemode-VCSEL alstrar en ljusstråle med hög spektral renhet och har en lägre divergens samt en högre koherenteffekt än en multimode-VCSEL. Medan man hittar singlemode-VCSEL särskilt ofta i ett stort antal industriella sensortillämpningar används de mycket kompakta multimode-VCSEL framförallt i mobila konsumentapplikationer och högintegrerade sensorer.
Vilka är typiska användningssätt för VCSEL Arrays?
Time-of-Flight (ToF)
Distanssensorik, laser-autofokus eller för precisions djupsensorik - de kompakta VCSEL Arrays passar bra till mätningar av några få millimeter upp till flera meter och passar utmärkt framförallt till användning med mobiltelefon.
Strukturerat ljus
Med VCSEL, som projecerar ljus i form av ett punktmönster på en yta kan angivna mönster avbildas exakt och identifieras. Ljusdioderna spelar därmed en viktig roll när det gäller ansiktsigenkänning vid upplåsning av en mobiltelefon, för säkerhetsigenkänning vid mobil betalning eller när man öppnar dörrar.
Industriella sensorer
Om syresensorer, där partiklar i omgivningen detekteras eller om optisk encoder används för en exakt positionering: Singlemode-VCSEL i ett hermetiskt tätt TO-hölje tål även de mest tuffa driftförhållandena.
LiDAR
VCSEL-Arrays passar mycket bra till LiDAR-tillämpningar. De mycket korta öknings- och falltiderna på de optiska pulserna möjliggör på så sätt ultrakort pulsning med höga toppeffekter vilket i sin tur är en fördel vid längre distansmätning. Systemeffekten kan ökas betydligt med hjälp av adresseringsmöjligheten på olika segment på VCSEL-Arrays. VCSEL spelar därför i framtiden en viktigt roll för autonom körning.
Optisk datakommunikation via glasfiber
Med VCSEL- och fotodiodlösningar kan en krypterad signal sändas, tas emot i andra änden och slutligen avkrypteras till en elektrisk signal. Här är en hög prestanda och tillförlitlighet på komponenterna avgörande.
Industriell värmebehandling (VCSEL-värmesystem)
Många industriella tillämpningar som fogning, svetsning, torkning, impregnering, avhärdning eller upphettning kan adresseras med high-power VCSEL värmesystem. Laseraggregaten baserade på VCSEL-arrays kan värma upp stora ytor med riktad, våglängdsselektiv infraröd strålning.
Kontakt