Johdatus pystysuoraan onteloon pintaemittoivaan puolijohdelaseriin (VCSEL)

Johdatus pystysuoraan ontelopintaan emittoimallapuolijohdelaser(VCSEL)
Pystysuuntaiset ulkoonteloon perustuvat pintaemittoiva laserit kehitettiin 1990-luvun puolivälissä ratkaisemaan keskeinen ongelma, joka on vaivannut perinteisten puolijohdelasereiden kehitystä: miten tuottaa suuritehoisia lasersäteitä, joilla on korkea säteen laatu perustransversaalimoodissa.
Pystysuuntaiset ulkoontelopinnalle emittoiva laser (Vecsel), joka tunnetaan myös nimelläpuolijohdelevylaserit(SDL) ovat suhteellisen uusi laserperheen jäsen. Ne voivat suunnitella emissioaallonpituutta muuttamalla puolijohdevahvistusväliaineen kvanttikaivon materiaalikoostumusta ja paksuutta, ja yhdistettynä ontelon sisäiseen taajuuden kaksinkertaistamiseen ne voivat kattaa laajan aallonpituusalueen ultravioletista kaukoinfrapunaan, saavuttaen suuren tehon ja säilyttäen samalla matalan hajaantumisen. Kulmaltaan pyöreä symmetrinen lasersäde. Laserresonaattori koostuu vahvistuspiirin pohjan DBR-rakenteesta ja ulkoisesta lähtökytkentäpeilistä. Tämä ainutlaatuinen ulkoinen resonaattorirakenne mahdollistaa optisten elementtien asettamisen onteloon esimerkiksi taajuuden kaksinkertaistamista, taajuuseroa ja moodilukitusta varten, mikä tekee VECSEListä ihanteellisen.laserlähdesovelluksiin, jotka vaihtelevat biofotoniikasta spektroskopiaan,laserlääketiedeja laserprojektio.
VC-pintaa emittoiva puolijohdelaserin resonaattori on kohtisuorassa aktiivisen alueen tasoon nähden, ja sen lähtövalo on kohtisuorassa aktiivisen alueen tasoon nähden, kuten kuvassa on esitetty. VCSEL:llä on ainutlaatuisia etuja, kuten pieni koko, korkea taajuus, hyvä säteen laatu, suuri ontelopinnan vaurioitumiskynnys ja suhteellisen yksinkertainen valmistusprosessi. Se osoittaa erinomaista suorituskykyä lasernäyttöjen, optisen tiedonsiirron ja optisen kellon sovelluksissa. VCselillä ei kuitenkaan voida saada aikaan yli wattitason tehokkaita lasereita, joten niitä ei voida käyttää aloilla, joilla on suuret tehovaatimukset.

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, laserin lähtö on myös kohtisuorassa sirun pintaan nähden, ja DBR:n molempien puolien heijastavuus on paljon korkeampi kuin EEL-ratkaisun tason.
VCSEL-laserresonaattorin pituus on yleensä muutamia mikroneja, mikä on paljon pienempi kuin EEL-millimetriresonaattorin, ja ontelossa tapahtuvan optisen kentän värähtelyn aikaansaama yksisuuntainen vahvistus on pieni. Vaikka perusmuotoinen poikittainen lähtöteho voidaan saavuttaa, lähtöteho voi olla vain useita milliwatteja. VCSEL-lähtölasersäteen poikkileikkausprofiili on pyöreä, ja hajaantumiskulma on paljon pienempi kuin reunasta lähtevän lasersäteen. VCSEL:n suuren tehon saavuttamiseksi on tarpeen suurentaa valovoima-aluetta vahvistuksen lisäämiseksi, ja valovoima-alueen kasvattaminen saa lähtölaserin muuttumaan monimuotolähdöksi. Samalla on vaikea saavuttaa tasaista virransyöttöä suurella valovoima-alueella, ja epätasainen virransyöttö pahentaa hukkalämmön kertymistä. Lyhyesti sanottuna VCSEL voi tuottaa perusmuotoisen pyöreän symmetrisen pisteen kohtuullisen rakenteen ansiosta, mutta lähtöteho on pieni, kun lähtö on yksimuotoinen. Siksi lähtötilaan integroidaan usein useita VCsel-lasereita.