บทนำเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL)

บทนำเกี่ยวกับการปล่อยพื้นผิวโพรงแนวตั้งเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์(วีซีเซล)
เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้งได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เพื่อแก้ปัญหาสำคัญที่ก่อปัญหาให้กับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม นั่นก็คือ วิธีการผลิตเอาต์พุตเลเซอร์กำลังสูงด้วยคุณภาพลำแสงสูงในโหมดขวางพื้นฐาน
เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้ง (Vecsels) หรือเรียกอีกอย่างว่าเลเซอร์ดิสก์เซมิคอนดักเตอร์(SDL) เป็นสมาชิกที่ค่อนข้างใหม่ในตระกูลเลเซอร์ สามารถออกแบบความยาวคลื่นการปล่อยได้โดยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของวัสดุและความหนาของควอนตัมเวลล์ในตัวกลางเกนเซมิคอนดักเตอร์ และเมื่อรวมกับการเพิ่มความถี่ภายในโพรง (intracavity frequency dupling) ก็สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นได้กว้างตั้งแต่อัลตราไวโอเลตไปจนถึงอินฟราเรดไกล ทำให้ได้กำลังส่งสูงในขณะที่ยังคงรักษามุมไดเวอร์เจนซ์ต่ำของลำแสงเลเซอร์แบบสมมาตรวงกลม ตัวสะท้อนเลเซอร์ประกอบด้วยโครงสร้าง DBR ด้านล่างของชิปเกนและกระจกคัปปลิ้งเอาต์พุตภายนอก โครงสร้างตัวสะท้อนภายนอกที่เป็นเอกลักษณ์นี้ช่วยให้สามารถใส่ส่วนประกอบออปติคัลเข้าไปในโพรงเพื่อการทำงานต่างๆ เช่น การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ความต่างความถี่ และการล็อกโหมด ทำให้ VECSEL เหมาะอย่างยิ่งแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการใช้งานตั้งแต่ไบโอโฟโตนิกส์ สเปกโตรสโคปียาเลเซอร์และการฉายเลเซอร์
ตัวสะท้อนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงแบบ VC-surface emitting laser ตั้งฉากกับระนาบที่บริเวณแอคทีฟตั้งอยู่ และแสงที่ส่งออกมาตั้งฉากกับระนาบของบริเวณแอคทีฟ ดังแสดงในรูป VCSEL มีข้อได้เปรียบเฉพาะตัว เช่น ขนาดเล็ก ความถี่สูง คุณภาพลำแสงที่ดี เกณฑ์ความเสียหายของพื้นผิวโพรงขนาดใหญ่ และกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างง่าย VCSEL มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานด้านการแสดงผลเลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง และสัญญาณนาฬิกาแสง อย่างไรก็ตาม VCsel ไม่สามารถผลิตเลเซอร์กำลังสูงเกินระดับวัตต์ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถนำไปใช้งานในสาขาที่ต้องการกำลังสูงได้

ตัวสะท้อนเลเซอร์ของ VCSEL ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสง Bragg แบบกระจาย (DBR) ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างเอพิแทกเซียลหลายชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งด้านบนและด้านล่างของบริเวณแอคทีฟ ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์เรโซเนเตอร์ประกอบด้วยระนาบการแยกตัวใน EEL ทิศทางของเรโซเนเตอร์ออปติคัล VCSEL ตั้งฉากกับพื้นผิวชิป เอาต์พุตเลเซอร์ก็ตั้งฉากกับพื้นผิวชิปเช่นกัน และค่าการสะท้อนแสงทั้งสองด้านของ DBR สูงกว่าระนาบโซลูชัน EEL มาก
โดยทั่วไปความยาวของเรโซเนเตอร์เลเซอร์ของ VCSEL จะสั้นเพียงไม่กี่ไมครอน ซึ่งเล็กกว่าเรโซเนเตอร์มิลลิเมตรของ EEL มาก และค่าเกนทางเดียวที่ได้จากการสั่นของสนามแสงในโพรงนั้นต่ำ แม้ว่าจะสามารถให้เอาต์พุตโหมดตามขวางพื้นฐานได้ แต่กำลังส่งออกจะสูงถึงหลายมิลลิวัตต์เท่านั้น ลำแสงเลเซอร์ที่ส่งออกของ VCSEL มีหน้าตัดเป็นวงกลม และมุมไดเวอร์เจนซ์มีขนาดเล็กกว่าลำแสงเลเซอร์ที่เปล่งแสงที่ขอบมาก เพื่อให้ได้กำลังส่งออกสูงของ VCSEL จำเป็นต้องเพิ่มช่วงส่องสว่างเพื่อให้ได้ค่าเกนที่มากขึ้น และการเพิ่มช่วงส่องสว่างจะทำให้เลเซอร์ที่ส่งออกกลายเป็นเอาต์พุตแบบหลายโหมด ในเวลาเดียวกัน การจะฉีดกระแสไฟฟ้าให้สม่ำเสมอในบริเวณที่มีแสงสว่างขนาดใหญ่เป็นเรื่องยาก และการฉีดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดการสะสมความร้อนเสียที่รุนแรงขึ้น กล่าวโดยสรุป VCSEL สามารถส่งออกจุดสมมาตรวงกลมโหมดพื้นฐานผ่านการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม แต่กำลังส่งออกจะต่ำเมื่อส่งออกเป็นโหมดเดียว ดังนั้น VCsel หลายตัวจึงมักถูกผสานเข้าในโหมดส่งออก