Introduzione al laser a semiconduttore a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL)

Introduzione ai dispositivi a emissione superficiale a cavità verticalelaser a semiconduttore(VCSEL)
I laser a emissione superficiale a cavità esterna verticale (VEC) sono stati sviluppati a metà degli anni '90 per superare un problema chiave che ha afflitto lo sviluppo dei laser a semiconduttore tradizionali: come produrre emissioni laser ad alta potenza con un'elevata qualità del fascio in modalità trasversale fondamentale.
Laser a emissione superficiale a cavità esterna verticale (Vecsel), noti anche comelaser a disco semiconduttoreI laser a semiconduttore (SDL) sono un membro relativamente nuovo della famiglia dei laser. Possono progettare la lunghezza d'onda di emissione modificando la composizione del materiale e lo spessore del pozzo quantico nel mezzo di guadagno semiconduttore e, combinati con la duplicazione di frequenza intracavità, possono coprire un ampio intervallo di lunghezze d'onda dall'ultravioletto al lontano infrarosso, ottenendo un'elevata potenza di uscita mantenendo un fascio laser circolare simmetrico a basso angolo di divergenza. Il risonatore laser è composto dalla struttura DBR inferiore del chip di guadagno e dallo specchio di accoppiamento di uscita esterno. Questa struttura risonante esterna unica consente l'inserimento di elementi ottici nella cavità per operazioni come la duplicazione di frequenza, la differenza di frequenza e il blocco di modo, rendendo i VECSEL idealisorgente laserper applicazioni che vanno dalla biofotonica alla spettroscopia,medicina lasere proiezione laser.
Il risonatore del laser a semiconduttore a emissione superficiale VCSEL è perpendicolare al piano in cui si trova la regione attiva e la sua luce di uscita è perpendicolare al piano della regione attiva, come mostrato in figura. I VCSEL presentano vantaggi unici, come dimensioni ridotte, alta frequenza, buona qualità del fascio, elevata soglia di danneggiamento della superficie della cavità e un processo di produzione relativamente semplice. Mostrano prestazioni eccellenti nelle applicazioni di visualizzazione laser, comunicazione ottica e orologi ottici. Tuttavia, i VCSEL non possono ottenere laser ad alta potenza superiori al livello del watt, quindi non possono essere utilizzati in campi che richiedono alta potenza.

Il risonatore laser del VCSEL è composto da un riflettore di Bragg distribuito (DBR) costituito da una struttura epitassiale multistrato di materiale semiconduttore sia sul lato superiore che su quello inferiore della regione attiva, che è molto diversa dalaserRisonatore composto da un piano di clivaggio in EEL. La direzione del risonatore ottico VCSEL è perpendicolare alla superficie del chip, l'uscita del laser è anch'essa perpendicolare alla superficie del chip e la riflettività di entrambi i lati del DBR è molto più elevata di quella del piano della soluzione EEL.
La lunghezza del risonatore laser del VCSEL è generalmente di pochi micron, molto inferiore a quella del risonatore millimetrico dell'EEL, e il guadagno unidirezionale ottenuto dall'oscillazione del campo ottico nella cavità è basso. Sebbene sia possibile ottenere l'emissione in modalità trasversale fondamentale, la potenza di uscita può raggiungere solo pochi milliwatt. Il profilo della sezione trasversale del fascio laser di uscita del VCSEL è circolare e l'angolo di divergenza è molto inferiore a quello del fascio laser a emissione laterale. Per ottenere un'elevata potenza di uscita del VCSEL, è necessario aumentare la regione luminosa per fornire un guadagno maggiore, e l'aumento della regione luminosa farà sì che il laser di uscita diventi un'emissione multimodale. Allo stesso tempo, è difficile ottenere un'iniezione di corrente uniforme in un'ampia regione luminosa, e un'iniezione di corrente non uniforme aggraverà l'accumulo di calore. In breve, il VCSEL può emettere un fascio a simmetria circolare in modalità fondamentale attraverso una progettazione strutturale ragionevole, ma la potenza di uscita è bassa quando l'emissione è in modalità singola. Pertanto, più VCSEL vengono spesso integrati nella modalità di uscita.