บทนำเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงบนพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL)

บทนำเกี่ยวกับการปล่อยรังสีบนพื้นผิวโพรงแนวตั้งเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์(วีซีเซล)
เลเซอร์เปล่งแสงบนพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้งได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เพื่อแก้ปัญหาสำคัญที่ก่อปัญหากับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ซึ่งก็คือวิธีผลิตเอาต์พุตเลเซอร์กำลังสูงพร้อมคุณภาพลำแสงสูงในโหมดขวางพื้นฐาน
เลเซอร์ปล่อยแสงบนพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้ง (Vecsels) หรือเรียกอีกอย่างว่าเลเซอร์แผ่นเซมิคอนดักเตอร์(SDL) เป็นสมาชิกใหม่ของครอบครัวเลเซอร์ สามารถออกแบบความยาวคลื่นการแผ่รังสีได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของวัสดุและความหนาของควอนตัมเวลล์ในตัวกลางเกนเซมิคอนดักเตอร์ และเมื่อรวมกับการเพิ่มความถี่ภายในโพรง ก็สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นที่กว้างตั้งแต่ช่วงอุลตราไวโอเลตไปจนถึงอินฟราเรดไกล ทำให้ได้เอาต์พุตกำลังสูงในขณะที่รักษาลำแสงเลเซอร์แบบสมมาตรวงกลมที่มีมุมเบี่ยงเบนต่ำ เรโซเนเตอร์เลเซอร์ประกอบด้วยโครงสร้าง DBR ด้านล่างของชิปเกนและกระจกคัปปลิ้งเอาต์พุตภายนอก โครงสร้างเรโซเนเตอร์ภายนอกที่ไม่เหมือนใครนี้ช่วยให้สามารถแทรกองค์ประกอบออปติกเข้าไปในโพรงได้สำหรับการดำเนินการ เช่น การเพิ่มความถี่ ความแตกต่างของความถี่ และการล็อกโหมด ทำให้ VECSEL เหมาะอย่างยิ่งแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการใช้งานตั้งแต่ไบโอโฟโตนิกส์ สเปกโตรสโคปียาเลเซอร์และการฉายเลเซอร์
ตัวสะท้อนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงแบบ VC-surface ตั้งฉากกับระนาบที่บริเวณแอคทีฟตั้งอยู่ และแสงที่ส่งออกมาจะตั้งฉากกับระนาบของบริเวณแอคทีฟ ดังที่แสดงในรูปภาพ VCSEL มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร เช่น ขนาดเล็ก ความถี่สูง คุณภาพลำแสงที่ดี เกณฑ์ความเสียหายของพื้นผิวโพรงขนาดใหญ่ และกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างเรียบง่าย แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานของการแสดงเลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง และนาฬิกาแสง อย่างไรก็ตาม VCsel ไม่สามารถรับเลเซอร์ที่มีกำลังสูงเกินระดับวัตต์ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ในสาขาที่ต้องการกำลังสูงได้

เรโซเนเตอร์เลเซอร์ของ VCSEL ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสง Bragg แบบกระจาย (DBR) ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างเอพิแทกเซียลหลายชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งด้านบนและด้านล่างของบริเวณที่ใช้งาน ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ตัวสะท้อนเสียงประกอบด้วยระนาบการแยกใน EEL ทิศทางของตัวสะท้อนเสียงแบบออปติก VCSEL ตั้งฉากกับพื้นผิวชิป เอาต์พุตของเลเซอร์ยังตั้งฉากกับพื้นผิวชิป และค่าการสะท้อนแสงทั้งสองด้านของ DBR สูงกว่าระนาบโซลูชัน EEL มาก
ความยาวของเรโซเนเตอร์เลเซอร์ของ VCSEL โดยทั่วไปจะอยู่ที่ไม่กี่ไมครอน ซึ่งเล็กกว่าเรโซเนเตอร์มิลลิเมตรของ EEL มาก และค่าเกนทางเดียวที่ได้จากการสั่นของสนามแสงในโพรงนั้นต่ำ แม้ว่าจะสามารถบรรลุเอาต์พุตโหมดตามขวางพื้นฐานได้ แต่กำลังเอาต์พุตสามารถเข้าถึงได้เพียงไม่กี่มิลลิวัตต์เท่านั้น โปรไฟล์หน้าตัดของลำแสงเลเซอร์เอาต์พุตของ VCSEL นั้นเป็นแบบวงกลม และมุมแยกออกนั้นเล็กกว่าลำแสงเลเซอร์ที่แผ่ขอบมาก เพื่อให้ได้เอาต์พุตกำลังสูงของ VCSEL จำเป็นต้องเพิ่มบริเวณส่องสว่างเพื่อให้ได้ค่าเกนมากขึ้น และการเพิ่มบริเวณส่องสว่างจะทำให้เลเซอร์เอาต์พุตกลายเป็นเอาต์พุตหลายโหมด ในเวลาเดียวกัน การจะฉีดกระแสไฟฟ้าให้สม่ำเสมอในพื้นที่ส่องสว่างขนาดใหญ่เป็นเรื่องยาก และการฉีดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดการสะสมความร้อนเสียมากขึ้น กล่าวโดยย่อ VCSEL สามารถส่งออกจุดสมมาตรวงกลมโหมดพื้นฐานผ่านการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม แต่กำลังส่งออกจะต่ำเมื่อส่งออกเป็นโหมดเดียว ดังนั้น จึงมักรวม VCsel หลายตัวเข้าในโหมดส่งออก