Introducere în laserul semiconductor cu emițător de suprafață în cavitate verticală (VCSEL)

Introducere în emisia de suprafață în cavitate verticalălaser semiconductor(VCSEL)
Laserele cu emisie de suprafață cu cavitate externă verticală au fost dezvoltate la mijlocul anilor 1990 pentru a depăși o problemă cheie care a afectat dezvoltarea laserelor semiconductoare tradiționale: cum să se producă ieșiri laser de mare putere cu o calitate ridicată a fasciculului în modul transversal fundamental.
Lasere cu emisie de suprafață cu cavitate externă verticală (Vecsels), cunoscute și sub numele delasere cu disc semiconductor(SDL), sunt membri relativ noi ai familiei laserelor. Pot proiecta lungimea de undă a emisiei prin modificarea compoziției materialului și a grosimii puțului cuantic din mediul de amplificare semiconductor și, combinate cu dublarea frecvenței intracavității, pot acoperi o gamă largă de lungimi de undă, de la ultraviolet la infraroșu îndepărtat, obținând o putere de ieșire mare, menținând în același timp un fascicul laser simetric circular cu unghi de divergență scăzut. Rezonatorul laser este compus din structura DBR inferioară a cipului de amplificare și oglinda de cuplare externă a ieșirii. Această structură unică de rezonator extern permite inserarea elementelor optice în cavitate pentru operațiuni precum dublarea frecvenței, diferența de frecvență și blocarea modurilor, ceea ce face din VECSEL o opțiune ideală.sursă laserpentru aplicații variind de la biofotonică, spectroscopie,medicină cu laserși proiecție laser.
Rezonatorul laserului semiconductor cu emițător de suprafață VC este perpendicular pe planul în care se află regiunea activă, iar lumina sa de ieșire este perpendiculară pe planul regiunii active, așa cum se arată în figură. VCSEL are avantaje unice, cum ar fi dimensiuni reduse, frecvență ridicată, calitate bună a fasciculului, prag mare de deteriorare a suprafeței cavității și proces de producție relativ simplu. Prezintă performanțe excelente în aplicații de afișare laser, comunicații optice și ceas optic. Cu toate acestea, VCsel-urile nu pot obține lasere de mare putere peste nivelul waților, deci nu pot fi utilizate în câmpuri cu cerințe de putere ridicate.

Rezonatorul laser al VCSEL este compus dintr-un reflector Bragg distribuit (DBR) alcătuit dintr-o structură epitaxială multistrat de material semiconductor atât pe partea superioară, cât și pe cea inferioară a regiunii active, care este foarte diferită delaserrezonator compus din planul de clivaj în EEL. Direcția rezonatorului optic VCSEL este perpendiculară pe suprafața cipului, ieșirea laserului este, de asemenea, perpendiculară pe suprafața cipului, iar reflectivitatea ambelor părți ale DBR este mult mai mare decât cea a planului de soluție EEL.
Lungimea rezonatorului laser al VCSEL este în general de câțiva microni, mult mai mică decât cea a rezonatorului milimetric al EEL, iar câștigul unidirecțional obținut prin oscilația câmpului optic în cavitate este scăzut. Deși se poate obține ieșirea modului transversal fundamental, puterea de ieșire poate atinge doar câțiva miliwați. Profilul secțiunii transversale a fasciculului laser de ieșire VCSEL este circular, iar unghiul de divergență este mult mai mic decât cel al fasciculului laser care emite pe margine. Pentru a obține o putere mare de ieșire a VCSEL, este necesar să se mărească regiunea luminoasă pentru a oferi un câștig mai mare, iar creșterea regiunii luminoase va face ca laserul de ieșire să devină o ieșire multimod. În același timp, este dificil să se obțină o injecție uniformă de curent într-o regiune luminoasă mare, iar injecția inegală de curent va agrava acumularea de căldură reziduală. Pe scurt, VCSEL poate emite spotul circular simetric în modul de bază printr-un design structural rezonabil, dar puterea de ieșire este scăzută atunci când ieșirea este monomod. Prin urmare, mai multe VCsel-uri sunt adesea integrate în modul de ieșire.