Einführung in den vertikalen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (VCSEL)

Einführung in die vertikale HohlraumoberflächenemissionHalbleiterlaser(VCSEL)
Vertikale Oberflächenemitterlaser mit externem Resonator wurden Mitte der 1990er Jahre entwickelt, um ein Schlüsselproblem zu lösen, das die Entwicklung herkömmlicher Halbleiterlaser behindert hat: die Erzeugung von Laserausgängen mit hoher Leistung und hoher Strahlqualität im fundamentalen transversalen Modus.
Vertikale oberflächenemittierende Laser mit externem Resonator (Vecsels), auch bekannt alsHalbleiter-Scheibenlaser(SDL) sind relativ neue Mitglieder der Laserfamilie. Die Emissionswellenlänge lässt sich durch die Variation der Materialzusammensetzung und Dicke des Quantentopfs im Halbleiter-Verstärkungsmedium gezielt einstellen. In Kombination mit der Frequenzverdopplung im Resonator deckt der Laser einen breiten Wellenlängenbereich vom Ultravioletten bis zum fernen Infrarot ab und erzielt dabei eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitig geringem Divergenzwinkel und kreisförmiger Symmetrie des Laserstrahls. Der Laserresonator besteht aus der unteren DBR-Struktur des Verstärkungschips und dem externen Auskoppelspiegel. Diese einzigartige externe Resonatorstruktur ermöglicht das Einfügen optischer Elemente in den Resonator für Operationen wie Frequenzverdopplung, Frequenzdifferenzierung und Modenkopplung, was VECSEL zu einem idealen Laser für Anwendungen macht.Laserquellefür Anwendungen, die von Biophotonik bis Spektroskopie reichen,Lasermedizinund Laserprojektion.
Der Resonator des VCSEL (oberflächenemittierender Halbleiterlaser) ist senkrecht zur Ebene der aktiven Zone ausgerichtet, und sein Ausgangslicht steht ebenfalls senkrecht zur Ebene der aktiven Zone (siehe Abbildung). VCSELs bieten einzigartige Vorteile wie geringe Größe, hohe Frequenz, gute Strahlqualität, hohe Zerstörschwelle der Resonatoroberfläche und einen relativ einfachen Herstellungsprozess. Sie zeigen hervorragende Leistungen in Anwendungen wie Laserdisplays, optischer Kommunikation und optischen Uhren. Allerdings können VCSELs keine Hochleistungslaser im Wattbereich erzeugen und sind daher für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf ungeeignet.

Der Laserresonator eines VCSEL besteht aus einem verteilten Bragg-Reflektor (DBR), der aus einer mehrlagigen epitaktischen Struktur aus Halbleitermaterial auf der Ober- und Unterseite der aktiven Zone aufgebaut ist, was sich sehr von dem unterscheidet,LaserDer Resonator besteht aus einer Spaltebene im EEL. Die Ausrichtung des VCSEL-Optikresonators verläuft senkrecht zur Chipoberfläche, der Laserausgang ist ebenfalls senkrecht zur Chipoberfläche, und die Reflektivität beider Seiten des DBR ist wesentlich höher als die der EEL-Lösungsebene.
Die Länge des Laserresonators eines VCSEL beträgt typischerweise nur wenige Mikrometer und ist damit deutlich geringer als die des Millimeter-Resonators eines EEL. Die durch die optische Feldoszillation im Resonator erzielte Einwegverstärkung ist gering. Obwohl der Grundmodus (Transversalmodus) emittiert werden kann, erreicht die Ausgangsleistung lediglich einige Milliwatt. Der Querschnitt des VCSEL-Ausgangslaserstrahls ist kreisförmig, und der Divergenzwinkel ist deutlich kleiner als der eines Kantenemissionslasers. Um eine hohe Ausgangsleistung des VCSEL zu erzielen, muss die Leuchtzone vergrößert werden, um eine höhere Verstärkung zu erreichen. Eine Vergrößerung der Leuchtzone führt jedoch zu einem Mehrmodenbetrieb. Gleichzeitig ist es schwierig, eine gleichmäßige Stromeinspeisung in einer großen Leuchtzone zu gewährleisten, und eine ungleichmäßige Stromeinspeisung verstärkt die Wärmeentwicklung. Kurz gesagt: Durch eine geeignete Struktur kann der VCSEL zwar einen kreisförmigen, symmetrischen Fleck im Grundmodus emittieren, die Ausgangsleistung ist jedoch im Einmodenbetrieb gering. Daher werden häufig mehrere VCSELs in einen einzigen Modus integriert.