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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?在本頁面上,您還可以找到有關兩種 VCSEL 的更多資訊,以及雷射二極體在工業和消費環境中的典型應用領域的所有詳細資訊。

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

使用以點狀圖案的形狀將結構光投射到表面上的 VCSEL 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,還是光學編碼器,都可用於高精度定位:密封 TO 外殼中的單模 VCSEL 甚至可以承受惡劣的運行條件。

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 陣列的雷射器可以通過選擇性波長的定向紅外輻射進行大面積加熱。

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