ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงพื้นผิวช่องแนวตั้ง (VCSEL)

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการเปล่งแสงของพื้นผิวช่องแนวตั้งเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์(วีซีเซล)
เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวช่องภายนอกแนวตั้งได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เพื่อเอาชนะปัญหาสำคัญที่รบกวนการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม: วิธีการผลิตเอาต์พุตเลเซอร์กำลังสูงด้วยคุณภาพลำแสงสูงในโหมดขวางพื้นฐาน
เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้ง (Vecsels) หรือที่รู้จักในชื่อเลเซอร์ดิสก์เซมิคอนดักเตอร์(SDL) เป็นสมาชิกที่ค่อนข้างใหม่ของตระกูลเลเซอร์ สามารถออกแบบความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของวัสดุและความหนาของหลุมควอนตัมในตัวกลางเกนของเซมิคอนดักเตอร์ และเมื่อรวมกับการเพิ่มความถี่ในโพรงสมองเป็นสองเท่าสามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่อัลตราไวโอเลตไปจนถึงอินฟราเรดไกล ทำให้ได้รับกำลังขับสูงในขณะที่ยังคงรักษาความแตกต่างต่ำ ลำแสงเลเซอร์สมมาตรแบบวงกลม เครื่องสะท้อนเสียงเลเซอร์ประกอบด้วยโครงสร้าง DBR ด้านล่างของชิปเกนและกระจกเชื่อมต่อเอาท์พุตภายนอก โครงสร้างตัวสะท้อนเสียงภายนอกที่เป็นเอกลักษณ์นี้ช่วยให้สามารถแทรกองค์ประกอบออปติกเข้าไปในช่องเพื่อการทำงานต่างๆ เช่น การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ความแตกต่างของความถี่ และการล็อคโหมด ทำให้ VECSEL เป็นตัวเลือกในอุดมคติแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการใช้งานตั้งแต่ไบโอโฟโตนิก สเปกโทรสโกปียาเลเซอร์และการฉายภาพด้วยเลเซอร์
เครื่องสะท้อนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่เปล่งแสงพื้นผิว VC จะตั้งฉากกับระนาบที่บริเวณแอคทีฟตั้งอยู่ และแสงเอาท์พุตของมันจะตั้งฉากกับระนาบของบริเวณแอคทีฟ ดังแสดงในรูป VCSEL มีข้อดีเฉพาะตัว เช่น ขนาดเล็ก ขนาด ความถี่สูง คุณภาพลำแสงที่ดี เกณฑ์ความเสียหายที่พื้นผิวช่องขนาดใหญ่ และกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างง่าย โดยแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานจอแสดงผลเลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง และนาฬิกาแบบออปติคัล อย่างไรก็ตาม VCsels ไม่สามารถรับเลเซอร์กำลังสูงเกินระดับวัตต์ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ในเขตข้อมูลที่มีความต้องการพลังงานสูงได้

เครื่องสะท้อนกลับแบบเลเซอร์ของ VCSEL ประกอบด้วยตัวสะท้อน Bragg (DBR) แบบกระจายที่ประกอบด้วยโครงสร้าง epitaxis หลายชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งด้านบนและด้านล่างของบริเวณที่ทำงาน ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ตัวสะท้อนที่ประกอบด้วยระนาบความแตกแยกใน EEL ทิศทางของตัวสะท้อนแสงแบบ VCSEL นั้นตั้งฉากกับพื้นผิวชิป ส่วนเอาต์พุตเลเซอร์ก็ตั้งฉากกับพื้นผิวชิปเช่นกัน และการสะท้อนแสงของทั้งสองด้านของ DBR นั้นสูงกว่าของระนาบสารละลาย EEL มาก
โดยทั่วไปความยาวของตัวสะท้อนกลับแบบเลเซอร์ของ VCSEL จะอยู่ที่ไม่กี่ไมครอน ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวของตัวสะท้อนกลับที่เป็นมิลลิเมตรของ EEL มาก และอัตราขยายทางเดียวที่ได้รับจากการสั่นของสนามแสงในโพรงนั้นต่ำ แม้ว่าจะสามารถบรรลุเอาต์พุตโหมดตามขวางพื้นฐานได้ แต่กำลังเอาต์พุตสามารถเข้าถึงได้เพียงไม่กี่มิลลิวัตต์เท่านั้น โปรไฟล์หน้าตัดของลำแสงเลเซอร์เอาท์พุต VCSEL มีลักษณะเป็นวงกลม และมุมไดเวอร์เจนซ์นั้นเล็กกว่ามุมของลำแสงเลเซอร์ที่เปล่งแสงตามขอบมาก เพื่อให้ได้เอาต์พุตกำลังสูงของ VCSEL จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่การส่องสว่างเพื่อให้ได้รับมากขึ้น และการเพิ่มพื้นที่การส่องสว่างจะทำให้เลเซอร์เอาท์พุตกลายเป็นเอาต์พุตแบบหลายโหมด ในเวลาเดียวกัน เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการฉีดกระแสไฟฟ้าที่สม่ำเสมอในบริเวณที่มีการส่องสว่างขนาดใหญ่ และการฉีดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้การสะสมความร้อนเหลือทิ้งรุนแรงขึ้น กล่าวโดยสรุป VCSEL สามารถส่งออกจุดสมมาตรแบบวงกลมโหมดพื้นฐานผ่านการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม แต่ กำลังเอาต์พุตต่ำเมื่อเอาต์พุตอยู่ในโหมดเดี่ยว ดังนั้น VCsel หลายตัวจึงมักถูกรวมเข้ากับโหมดเอาต์พุต