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通快 VCSEL 的优势

到底什么是 VCSEL 激光,相比较其他激光二极管它有什么优势?是采用了哪种结构,才能实现 VCSEL 阵列的特殊工作方式?在本页面上,您还可以找到有关两种 VCSEL 的更多信息,以及激光二极管在工业和消费环境中的典型应用领域的所有详细信息。

什么是 VCSEL(Vertical cavitiy surface emitting laser,垂直腔面发生激光器)?

VCSELVertical cavitiy surface emitting laser,垂直腔面发生激光器)是一种激光二极管,其从特制晶圆的表面垂直射出锥形光束的激光。而传统的边缘发射激光器从芯片的一侧或两侧发射激光,与之相比,VCSEL 具有许多优势。无论是用于工业市场还是消费环境——VCSEL 都提供有不同的波长。这里的标准波长在 760 nm、850 nm 和 940 nm 范围内。

VCSEL 有哪些优势?

优化的光束轮廓

圆形光束形状(甚至可以是高斯光束)、低光束发散角以及不同的光模式(多模和单模)使 VCSEL 适合多种应用。

高科技应用理想之选

由于其调制速度、激光光束质量和能效都很高,VCSEL 阵列非常适合高科技应用,例如 3D 多传感器系统、LiDAR 或光学数据通信。

节省空间和成本

使用垂直发射激光器,可以节省建造空间,并且可以实现在一个芯片上具有多个发射器的阵列。因此可以在晶圆级进行大批量制造和测试

高能效

VCSEL 的功率消耗在非常低的毫瓦范围内,可在移动应用中或用于数据中心时实现非常高效的运行,同时显著降低耗电量。

上升和下降时间短

得益于短暂的上升和下降时间,使用 VCSEL 可以实现非常快的脉冲模式。这对于在光学数据通信和时间差(ToF)系统中的使用尤为重要。

窄带宽光谱光发射

借助 VCSEL 能够以极窄的带宽实现光谱光发射。

简单的垂直集成

得益于垂直光发射,可以轻松集成其他功能,例如偏振稳定元件或微光学。

VCSEL 的工作方式

VCSEL 由许多连续排列的外延层组成。最上层用作电流注入的接触层。下面跟着的是两个反射镜中的第一个。该反射镜掺杂有碳,由多层具有不同铝含量的 AlGaAs 组成。上面的反射镜的反射率通常在 99% 左右。

在上面的反射镜之后是氧化屏障层。它由铝含量高的材料组成,通过湿式氧化法使部分钝化。氧化屏障层的内部(非钝化)部分用于电流收缩和光学引导。氧化屏障层定义了 VCSEL 的众多重要光电参数。

有源区包含量子阱。这用于增强功率。

有源区下方是第二个反射镜,其掺杂有硅,比上面的反射镜厚很多。这用于将尽可能多的光反射回有源区。下面的反射镜的反射率在 99.9% 左右。

单模 VCSEL 与多模 VCSEL:区别是什么?

单模和多模 VCSEL 激光器技术图片,通快光学元件

当前有两类 VSCEL:单模 VSCEL 和多模 VSCEL。单模 VCSEL 产生具有高光谱纯度的光束,并且比多模 VCSEL 具有更低的发散角和更高的相干性能。单模 VCSEL 尤其被经常用于众多工业传感器应用中,而非常紧凑的多模 VCSEL 主要用于移动消费应用和高度集成的传感器。

VCSEL 阵列的典型应用有哪些?

时间差(ToF)

无论是用于距离传感系统、激光自动对焦还是高精度深度传感系统——紧凑的 VCSEL 阵列适用于从几毫米到几米的测量,尤其适合智能手机应用。

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结构光

使用以点状图案的形状将结构光投射到表面上的 VCSEL 可以高精度地映射和识别指定的图案。因此发光二极管在解锁智能手机时的面部识别、移动支付或开门时的安全识别中发挥着重要作用。

工业探针

无论是涉及检测环境中颗粒的氧气探针,还是光学编码器,都可用于高精度定位:密封 TO 外壳中的单模 VCSEL 甚至可以承受恶劣的运行条件。

LiDAR

VCSEL 阵列非常适合 LiDAR 应用。光脉冲的上升和下降时间非常短,因此可实现具有很高最大功率的超短脉冲,这反过来又能实现更远距离的测量。VCSEL 阵列上不同段的可寻址性可以显著提高系统性能。因此 VCSEL 将在未来的自动驾驶中发挥重要作用。

通过玻璃纤维进行的光学数据通信

通过 VCSEL 和光电二极管解决方案可以发送编码信号,在另一端接收,最后解码为电信号。在此,部件的高性能和可靠性至关重要。

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工业热处理(VCSEL 加热系统)

许多工业应用,例如连接、焊接、干燥、密封、软化或加热,都可以用大功率 VCSEL 加热系统来解决。基于 VCSEL 阵列的激光器可以通过选择性波长的定向红外辐射进行大面积加热。

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