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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?您在本页面还可了解到有关两种 VCSEL 的更多信息,以及激光二极管在工业和消费环境中典型应用领域的全部详情。

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

VCSEL 以点阵形式将结构光投射到表面,从而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传感器,还是用于高精度定位的光学编码器:即使是恶劣的运行条件,采用 TO 封装外壳的单模 VCSEL 也可应对自如。

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 阵列的激光光源能够以选择性波长的定向红外辐射进行大面积加热。

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