Εισαγωγή στο λέιζερ ημιαγωγών που εκπέμπει κάθετη επιφάνεια κοιλότητας (VCSEL)

Εισαγωγή στην εκπομπή κάθετης επιφάνειας κοιλότηταςλέιζερ ημιαγωγών(VCSEL)
Τα λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια κάθετης εξωτερικής κοιλότητας αναπτύχθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1990 για να ξεπεραστεί ένα βασικό πρόβλημα που μαστίζει την ανάπτυξη των παραδοσιακών λέιζερ ημιαγωγών: πώς να παράγουμε εξόδους λέιζερ υψηλής ισχύος με ποιότητα υψηλής δέσμης σε θεμελιώδη εγκάρσια λειτουργία.
Laser κάθετης εξωτερικής κοιλότητας που εκπέμπει επιφάνεια (Vecsels), γνωστά και ωςλέιζερ δίσκων ημιαγωγών(SDL), είναι ένα σχετικά νέο μέλος της οικογένειας των λέιζερ. Μπορεί να σχεδιάσει το μήκος κύματος εκπομπής αλλάζοντας τη σύνθεση υλικού και το πάχος του κβαντικού πηγαδιού στο μέσο απολαβής ημιαγωγών και σε συνδυασμό με τον διπλασιασμό συχνότητας εντός κοιλότητας μπορεί να καλύψει ένα ευρύ φάσμα μήκους κύματος από το υπεριώδες έως το πολύ υπέρυθρο, επιτυγχάνοντας υψηλή απόδοση ισχύος διατηρώντας χαμηλή απόκλιση Γωνιακή κυκλική συμμετρική δέσμη λέιζερ. Το αντηχείο λέιζερ αποτελείται από την κάτω δομή DBR του τσιπ απολαβής και τον εξωτερικό καθρέφτη ζεύξης εξόδου. Αυτή η μοναδική δομή εξωτερικού συντονιστή επιτρέπει την εισαγωγή οπτικών στοιχείων στην κοιλότητα για λειτουργίες όπως ο διπλασιασμός συχνότητας, η διαφορά συχνότητας και το κλείδωμα λειτουργίας, καθιστώντας το VECSEL ιδανικόπηγή λέιζεργια εφαρμογές που κυμαίνονται από βιοφωτονική, φασματοσκοπία,ιατρική λέιζερκαι προβολή λέιζερ.
Ο συντονιστής του λέιζερ ημιαγωγών που εκπέμπει επιφάνεια VC είναι κάθετος στο επίπεδο όπου βρίσκεται η ενεργή περιοχή και το φως εξόδου του είναι κάθετο στο επίπεδο της ενεργού περιοχής, όπως φαίνεται στο σχήμα. Το VCSEL έχει μοναδικά πλεονεκτήματα, όπως μικρό μέγεθος, υψηλή συχνότητα, καλή ποιότητα δέσμης, μεγάλο όριο ζημιάς στην επιφάνεια της κοιλότητας και σχετικά απλή διαδικασία παραγωγής. Παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση στις εφαρμογές απεικόνισης λέιζερ, οπτικής επικοινωνίας και οπτικού ρολογιού. Ωστόσο, τα VCsel δεν μπορούν να αποκτήσουν λέιζερ υψηλής ισχύος πάνω από το επίπεδο watt, επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πεδία με υψηλές απαιτήσεις ισχύος.


Το αντηχείο λέιζερ του VCSEL αποτελείται από έναν κατανεμημένο ανακλαστήρα Bragg (DBR) που αποτελείται από επιταξιακή δομή πολλαπλών στρωμάτων από υλικό ημιαγωγών τόσο στην άνω όσο και στην κάτω πλευρά της ενεργού περιοχής, η οποία είναι πολύ διαφορετική από τηνλέιζεραντηχείο που αποτελείται από επίπεδο διάσπασης σε EEL. Η κατεύθυνση του οπτικού συντονιστή VCSEL είναι κάθετη στην επιφάνεια του τσιπ, η έξοδος λέιζερ είναι επίσης κάθετη στην επιφάνεια του τσιπ και η ανακλαστικότητα και των δύο πλευρών του DBR είναι πολύ υψηλότερη από αυτή του επιπέδου λύσης EEL.
Το μήκος του συντονιστή λέιζερ του VCSEL είναι γενικά μερικά μικρά, το οποίο είναι πολύ μικρότερο από αυτό του συντονιστή χιλιοστού του EEL, και το μονόδρομο κέρδος που προκύπτει από την ταλάντωση του οπτικού πεδίου στην κοιλότητα είναι χαμηλό. Αν και μπορεί να επιτευχθεί η βασική έξοδος εγκάρσιας λειτουργίας, η ισχύς εξόδου μπορεί να φτάσει μόνο αρκετά milliwatts. Το προφίλ διατομής της δέσμης λέιζερ εξόδου VCSEL είναι κυκλικό και η γωνία απόκλισης είναι πολύ μικρότερη από αυτή της ακτίνας λέιζερ που εκπέμπει άκρα. Για να επιτευχθεί υψηλή ισχύς εξόδου του VCSEL, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η φωτεινή περιοχή για να παρέχεται περισσότερο κέρδος και η αύξηση της φωτεινής περιοχής θα κάνει το λέιζερ εξόδου να γίνει έξοδος πολλαπλών λειτουργιών. Ταυτόχρονα, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ομοιόμορφη έγχυση ρεύματος σε μεγάλη φωτεινή περιοχή και η ανομοιόμορφη έγχυση ρεύματος θα επιδεινώσει τη συσσώρευση απορριπτόμενης θερμότητας. Εν ολίγοις, το VCSEL μπορεί να εξάγει το βασικό κυκλικό συμμετρικό σημείο μέσω λογικού δομικού σχεδιασμού, αλλά Η ισχύς εξόδου είναι χαμηλή όταν η έξοδος είναι απλής λειτουργίας. Ως εκ τούτου, πολλαπλά VCsel συχνά ενσωματώνονται στη λειτουργία εξόδου.


Ώρα δημοσίευσης: 21 Μαΐου 2024