En laserdiode vertikalt hulrom overflateemitterende eller VCSEL [v'ɪxl] (engelsk for vertikal-formflate-emitterende laser ) er en type laserdiode til halvledermitterende stråle laservinkelrett på overflaten, i motsetning til konvensjonelle kantmitterende halvlederlasere.
VCSEL-dioder har mange fordeler fremfor kantsendende lasere, spesielt med hensyn til produksjonsprosessen:
Den første VCSEL ble presentert i 1979 av Soda, Iga, Kitahara og Suematsu, men det tok til 1989 for å se enheter med terskelen gjeldende var mindre enn 1 m A . I 2005 hadde VCSEL allerede erstattet laserskjærende lasere for kortdistanse fiberoptiske kommunikasjonsapplikasjoner som Gigabit Ethernet og Fibre Channel- protokoller .
Laserresonatoren består av to Bragg-speil parallelt med overflaten til waferen, og mellom dem, av et aktivt område bestående av en eller flere kvantebrønner som tillater generering av laserstrålen. Bragg-speil er laget av vekslende indekslag med høy og lav brytningsgrad . Tykkelsen på hvert lag er en fjerdedel av bølgelengden til laseren i materialet, noe som gjør det mulig å oppnå en refleksjon som er større enn 99%. I VCSEL er det behov for speil med høy refleksjon for å kompensere for den korte lengden på forsterkningsmediet.
I de fleste VCSEL er de øvre og nedre speilene henholdsvis p- type og n- type dopede materialer, og danner et PN-kryss . I noen mer komplekse VCSEL-er kan p- og n- områdene begraves mellom Bragg-speilene. dette innebærer en mer kompleks prosess for å få elektrisk kontakt med forsterkningsmediet, men begrenser de elektriske tapene i Bragg-speilene.
Det forskes på VCSEL-systemer ved bruk av nye materialer. I dette tilfellet kan forsterkningsmediet pumpes av en ekstern lyskilde med kortere bølgelengde (vanligvis en annen laser ). Dette gjør det mulig å presentere driften av en VCSEL uten å legge til problemet med å oppnå god elektrisk ytelse. Imidlertid kan ikke disse enhetene overføres til de fleste aktuelle applikasjoner.
VCSEL for å oppnå stråler med bølgelengde mellom 650 nm og 1300 nm er vanligvis produsert på wafers av galliumarsenid ( Ga As ). Bragg-speil er sammensatt av vekslende lag av GaAs og aluminium-galliumarsenid ( Al x Ga (1-x) As ). GaAs / AlGaAs vekslingen er aktuell for bygging av VCSEL, fordi materialet gitterkonstant forandrer seg lite når endringer i sammensetning, og dermed gir den epitaksial vekst av flere lag på GaAs-substratet med mesh tuning . På den annen side varierer brytningsindeksen til AlGaAs sterkt som en funksjon av volumfraksjonen av aluminium: dette gjør det mulig å minimere antall lag som kreves for å oppnå et effektivt Bragg-speil (sammenlignet med andre materialer). I tillegg er det mulig for høye konsentrasjoner av aluminium å danne et AlGaAs- oksid , som kan brukes til å begrense strømmen i en VCSEL, og dermed gjøre det mulig å bruke svært lave terskelstrømmer.
Enheter som gjør det mulig å oppnå stråler mellom 1300 nm og 2000 nm , består av indiumfosfid i det minste for deres forsterkende medium.
VCSEL-ene som gir bjelker med enda lengre bølgelengde, er i 2005 bare på det eksperimentelle stadiet, og er generelt optisk pumpet.
Når VCSEL-er avgir gjennom overflaten, kan de testes direkte på skiven før de blir kuttet i individuelle enheter. Dette reduserer produksjonskostnadene, og gjør det også mulig å produsere dem på en matrise måte.
Den store utgangsåpningen til VCSEL, sammenlignet med de fleste kantsendende lasere, gir en mindre stråledivergensvinkel. Dermed er det mulig å koble en VCSEL til en optisk fiber med høy koblingseffektivitet.
Den høye refleksjonskoeffisienten til Bragg-speilene reduserer terskelstrømmen til VCSEL, noe som senker strømforbruket. På den annen side avgir VCSEL-er ved lavere krefter enn lasere som avgir waferen. Den lave terskelstrømmen gjør det også mulig å oppnå båndbredder med høy indre modulasjon.
Den bølgelengden av de VCSELs kan reguleres (i forsterkningsområdet av den forsterkende medium) ved å endre tykkelsen av lagene som danner Bragg-speil.
Til slutt, mens de første VCSEL-ene sendes ut i flere langsgående moduser eller i filamentmodus, var det vanlig i 2005 å møte VCSEL-er i en modus.