Johdatus pystysuoraan onkaloon pintaa emittoivaan puolijohdelaseeriin (VCSEL)

Johdatus pystysuoran kaviteettipinnan emittoimiseenpuolijohdelaser(VCSEL)
Pystysuorat ulkoontelopinnat emittoivat laserit kehitettiin 1990-luvun puolivälissä ratkaisemaan keskeinen ongelma, joka on vaivannut perinteisten puolijohdelaserien kehitystä: kuinka tuottaa suuritehoisia lasertulosteita korkealla säteen laadulla perustavanlaatuisessa poikittaistilassa.
Pystysuorat ulkoisen ontelon pintaa emittoivat laserit (Vecsels), tunnetaan myös nimelläpuolijohdelevylaserit(SDL) ovat suhteellisen uusi jäsen laserperheessä. Se voi suunnitella emissioaallonpituuden muuttamalla materiaalikoostumusta ja kvanttikuivon paksuutta puolijohteen vahvistusväliaineessa, ja yhdistettynä onkalonsisäisen taajuuden kaksinkertaistamiseen voi kattaa laajan aallonpituusalueen ultraviolettisäteilystä kauko-infrapunaan, jolloin saadaan suuri teho ja samalla alhainen ero. Kulma pyöreä symmetrinen lasersäde. Laserresonaattori koostuu vahvistussirun alimmasta DBR-rakenteesta ja ulkoisesta lähtökytkentäpeilistä. Tämä ainutlaatuinen ulkoinen resonaattorirakenne mahdollistaa optisten elementtien asettamisen onteloon esimerkiksi taajuuden kaksinkertaistamista, taajuuseroa ja tilan lukitusta varten, mikä tekee VECSEListä ihanteellisenlaserlähdesovelluksiin, jotka vaihtelevat biofotoniikasta, spektroskopiaan,laserlääketiedeja laserprojektio.
VC-pintaa emittoivan puolijohdelaserin resonaattori on kohtisuorassa aktiivisen alueen tasoon nähden ja sen valo on kohtisuorassa aktiivisen alueen tasoon nähden, kuten kuvassa näkyy. VCSEL:llä on ainutlaatuisia etuja, kuten pieni koko, korkea taajuus, hyvä säteen laatu, suuri ontelon pintavauriokynnys ja suhteellisen yksinkertainen tuotantoprosessi. Se osoittaa erinomaista suorituskykyä lasernäytön, optisen viestinnän ja optisen kellon sovelluksissa. VCselit eivät kuitenkaan pysty saamaan suuritehoisia lasereita wattitason yläpuolella, joten niitä ei voida käyttää alueilla, joilla on korkea tehovaatimus.

VCSEL:n laserresonaattori koostuu hajautetusta Bragg-heijastimesta (DBR), joka koostuu puolijohdemateriaalin monikerroksisesta epitaksiaalisesta rakenteesta sekä aktiivisen alueen ylä- että alapuolella, mikä on hyvin erilainen kuinlaserresonaattori, joka koostuu EEL:n katkaisutasosta. VCSEL-optisen resonaattorin suunta on kohtisuorassa sirun pintaan nähden, laserlähtö on myös kohtisuorassa sirun pintaan nähden ja DBR:n molempien puolten heijastavuus on paljon suurempi kuin EEL-ratkaisutason.
VCSEL:n laserresonaattorin pituus on yleensä muutama mikrometri, mikä on paljon pienempi kuin EEL:n millimetriresonaattori, ja ontelon optisen kentän värähtelyn aikaansaama yksisuuntainen vahvistus on pieni. Vaikka perustavanlaatuinen transversaalimuotoinen lähtö voidaan saavuttaa, lähtöteho voi olla vain useita milliwatteja. VCSEL-lähtölasersäteen poikkileikkausprofiili on pyöreä, ja hajoamiskulma on paljon pienempi kuin reunaa emittoivan lasersäteen poikkileikkausprofiili. VCSEL:n suuren tehon saavuttamiseksi on tarpeen lisätä valoaluetta, jotta saadaan enemmän vahvistusta, ja valoalueen kasvu saa lähtölaserista monimuotoisen ulostulon. Samanaikaisesti on vaikea saavuttaa tasaista virran injektiota suurella valoalueella, ja epätasainen virransyöttö pahentaa hukkalämmön kertymistä. Lyhyesti sanottuna VCSEL voi tuottaa perustilan ympyräsymmetrisen pisteen järkevän rakennesuunnittelun avulla, mutta lähtöteho on alhainen, kun lähtö on yksimuotoinen. Siksi useat VCselit integroidaan usein lähtötilaan.