Εισαγωγή στην εκπομπή επιφανειακών κατακόρυφων κοιλοτήτωνλέιζερ ημιαγωγών(VCSEL)
Τα λέιζερ εκπομπής κατακόρυφης εξωτερικής κοιλότητας αναπτύχθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1990 για να ξεπεραστεί ένα βασικό πρόβλημα που μαστίζει την ανάπτυξη των παραδοσιακών λέιζερ ημιαγωγών: τον τρόπο παραγωγής εξόδων λέιζερ υψηλής ισχύος με ποιότητα υψηλής δέσμης σε θεμελιώδη εγκάρσια λειτουργία.
Λέιζερ εκπομπής κάθετης εξωτερικής κοιλότητας (Vecsels), επίσης γνωστά ωςλέιζερ ημιαγωγών με δίσκο(SDL), είναι ένα σχετικά νέο μέλος της οικογένειας λέιζερ. Μπορεί να σχεδιάσει το μήκος κύματος εκπομπής αλλάζοντας τη σύνθεση του υλικού και το πάχος του κβαντικού φρέατος στο μέσο κέρδους ημιαγωγών και, σε συνδυασμό με τον ενδοκοιλιακό διπλασιασμό συχνότητας, μπορεί να καλύψει ένα ευρύ φάσμα κύματος από υπεριώδες έως μακρινό υπέρυθρο, επιτυγχάνοντας υψηλή ισχύ εξόδου διατηρώντας παράλληλα μια κυκλική συμμετρική δέσμη λέιζερ χαμηλής γωνίας απόκλισης. Ο συντονιστής λέιζερ αποτελείται από την κάτω δομή DBR του τσιπ κέρδους και τον εξωτερικό καθρέφτη σύζευξης εξόδου. Αυτή η μοναδική εξωτερική δομή συντονιστή επιτρέπει την εισαγωγή οπτικών στοιχείων στην κοιλότητα για λειτουργίες όπως διπλασιασμός συχνότητας, διαφορά συχνότητας και κλείδωμα λειτουργίας, καθιστώντας το VECSEL ιδανικό.πηγή λέιζεργια εφαρμογές που κυμαίνονται από βιοφωτονική, φασματοσκοπία,ιατρική με λέιζερκαι προβολή με λέιζερ.
Ο συντονιστής του λέιζερ ημιαγωγού εκπομπής επιφάνειας VC είναι κάθετος στο επίπεδο όπου βρίσκεται η ενεργός 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 βλάβης στην επιφάνεια της κοιλότητας και σχετικά απλή διαδικασία παραγωγής. Δείχνει εξαιρετική απόδοση στις εφαρμογές της απεικόνισης λέιζερ, της οπτικής επικοινωνίας και του 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.
Ο συντονιστής λέιζερ του VCSEL αποτελείται από έναν κατανεμημένο ανακλαστήρα Bragg (DBR) που αποτελείται από πολυστρωματική επιταξιακή δομή ημιαγωγικού υλικού τόσο στην άνω όσο και στην κάτω πλευρά της ενεργής περιοχής, η οποία είναι πολύ διαφορετική από τηνλέιζερΣυντονιστής που αποτελείται από επίπεδο διάσπασης στο 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 διαλύματος 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 επιτυγχάνεται από την ταλάντωση του οπτικού πεδίου στην κοιλότητα είναι χαμηλό. Αν και μπορεί να επιτευχθεί η βασική εγκάρσια έξοδος, η ισχύς εξόδου μπορεί να φτάσει μόνο μερικά milliwatt. Το προφίλ διατομής της δέσμης λέιζερ εξόδου VCSEL είναι κυκλικό και η γωνία απόκλισης είναι πολύ μικρότερη από αυτή της δέσμης λέιζερ που εκπέμπει την άκρη. Για να επιτευχθεί υψηλή ισχύς εξόδου του VCSEL, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η φωτεινή περιοχή για να επιτευχθεί μεγαλύτερο κέρδος, και η αύξηση της φωτεινής περιοχής θα προκαλέσει την έξοδο του λέιζερ εξόδου να γίνει μια έξοδος πολλαπλών λειτουργιών. Ταυτόχρονα, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ομοιόμορφη έγχυση ρεύματος σε μια μεγάλη φωτεινή περιοχή, και η ανομοιόμορφη έγχυση ρεύματος θα επιδεινώσει τη συσσώρευση απορριπτόμενης θερμότητας. Με λίγα λόγια, το VCSEL μπορεί να εξάγει το βασικό κυκλικό συμμετρικό σημείο μέσω λογικού δομικού σχεδιασμού, αλλά η ισχύς εξόδου είναι χαμηλή όταν η έξοδος είναι μονόδρομη. Επομένως, πολλαπλά VCsel συχνά ενσωματώνονται στη λειτουργία εξόδου.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Μαΐου 2024