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TRUMPF VCSEL 的優勢

到底什麼是 VCSEL 雷射,相比較其他雷射二極體它有什麼優勢?是採用了哪種結構,才能實現 VCSEL 陣列的特殊工作方式?您在本頁面還可了解到有關兩種 VCSEL 的更多資訊,以及雷射二極體在工業和消費環境中典型應用領域的全部詳情。

什麼是 VCSEL(Vertical cavitiy surface emitting laser,垂直腔面發生雷射器)?

VCSELVertical cavitiy surface emitting laser垂直腔面發生雷射器)是一種雷射二極體,其從特製晶圓的表面垂直射出錐形光束的雷射光。而傳統的邊緣發射雷射器從晶元的一側或兩側發射雷射,與之相比,VCSEL 具有許多優勢。無論是用於工業市場還是消費環境——VCSEL 都提供有不同的波長。這裏的標準波長在 760 nm、850 nm 和 940 nm 範圍內。

VCSEL 有哪些優勢?

優化的光束輪廓

圓形光束形狀(甚至可以是高斯光束)、低光束發散度以及不同的光模式(多模和單模)使 VCSEL 適合多種應用。

高科技應用理想之選

由於其調製速度、光束品質和能效都較高,VCSEL 陣列非常適合高科技應用,例如 3D 感應系統、LiDAR 或光學資料通訊。

節省空間和成本

使用垂直發射雷射器,可以節省建造空間,並且可以實現在一個晶元上具有多個發射器的陣列。因此可以在晶圓級進行大批量製造和測試

能源效率高

VCSEL 的能量消耗在非常低的毫瓦範圍內,可在移動應用中或用於資料中心時實現非常高效的運行,同時顯著降低耗電量。

上升和下降時間短

得益於短暫的上升和下降時間,使用 VCSEL 可以實現非常快的脈衝振蕩方式。這對於在光學資料通訊和時間差(ToF)系統中的使用尤為重要。

窄頻寬光譜光發射

借助 VCSEL 能夠以極窄的頻寬實現光譜光發射。

簡單的垂直集成

得益於垂直光發射,可以輕鬆集成其他功能,例如偏振穩定元件或微光學。

VCSEL 的工作方式

VCSEL 由許多連續排列的外延層組成。最上層用作電流注入的接觸層。下面跟著的是兩個反射鏡中的第一個。該反射鏡摻雜有碳,由多層具有不同鋁含量的 AlGaAs 組成。上面的反射鏡的反射率通常在 99% 左右。

在上面的反射鏡之後是氧化屏障層。它由鋁含量高的材料組成,通過濕式氧化法使部分鈍化。氧化屏障層的內部(非鈍化)部分用於電流收縮和光學引導。氧化屏障層定義了 VCSEL 的眾多重要光電參數。

有源區包含量子阱。這用於增強功率。

有源區下方是第二個反射鏡,其摻雜有矽,比上面的反射鏡厚很多。這用於將盡可能多的光反射回有源區。下面的反射鏡的反射率在 99.9% 左右。

單模 VCSEL 與多模 VCSEL:區別是什麼?

單模和多模VCSEL雷射器技術圖片,TRUMPF光學元件

當前有兩類 VSCEL:單模 VSCEL 和多模 VSCEL。單模 VCSEL 產生具有高光譜純度的光束,並且比多模 VCSEL 具有更低的光束發散度和更高的相幹性能。單模 VCSEL 尤其被經常用於眾多工業感應器應用中,而非常緊湊的多模 VCSEL 主要用於行動消費應用和高度集成的感應器。

VCSEL 陣列的典型應用有哪些?

時間差(ToF)

無論是用於距離感應系統、雷射自動對焦還是高精度深度感應系統——緊湊的 VCSEL 陣列適用於從幾毫米到幾米的量測,尤其適合智慧手機應用。

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結構光

VCSEL 以點陣形式將結構光投射到表面,從而可以高精度地映射和識別指定的圖案。因此發光二極體在解鎖智慧手機時的面部識別、移動支付或開門時的安全識別中發揮著重要作用。

工業感應器

無論是涉及檢測環境中顆粒的氧氣感應器,還是用於高精度定位的光學編碼器:即使是惡劣的運行條件,採用 TO 封裝外殼的單模 VCSEL 也可應對自如。

LiDAR

VCSEL 陣列非常適合 LiDAR 應用。光脈衝波的上升和下降時間非常短,因此可實現具有很高最大功率的超短脈衝波,這反過來又能實現更遠距離的量測。VCSEL 陣列上不同段的可定址性可以顯著提高系統性能。因此 VCSEL 將在未來的自動駕駛中發揮重要作用。

通過玻璃纖維進行的光學資料通訊

通過 VCSEL 和光電二極體解決方案可以發送編碼信號,在另一端接收,最後解碼為電信號。在此,組件的高性能和可靠性至關重要。

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工業熱處理(VCSEL 加熱系統)

許多工業應用,例如連接、焊接、乾燥、密封、軟化或加熱,可以使用大功率 VCSEL 加熱系統實現。基於 VCSEL 陣列的雷射光源能夠以選擇性波長的定向紅外輻射進行大面積加熱。

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