บทนำเกี่ยวกับพื้นผิวเปล่งแสงโพรงแนวตั้งเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์(วีซีเซล)
เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงภายนอกแนวตั้งได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เพื่อเอาชนะปัญหาสำคัญที่ขัดขวางการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม นั่นคือ วิธีการผลิตเอาต์พุตเลเซอร์กำลังสูงและคุณภาพลำแสงสูงในโหมดตามขวางพื้นฐาน
เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้ง (Vecsels) หรือที่รู้จักกันในชื่อเลเซอร์ดิสก์เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์แบบ VECSEL (SDL) เป็นสมาชิกใหม่ในตระกูลเลเซอร์ สามารถออกแบบความยาวคลื่นการปล่อยแสงได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของวัสดุและความหนาของบ่อควอนตัมในตัวกลางขยายสัญญาณเซมิคอนดักเตอร์ และเมื่อรวมกับการเพิ่มความถี่ภายในโพรงแสง สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลตไปจนถึงอินฟราเรดไกล ให้กำลังเอาต์พุตสูงในขณะที่ยังคงรักษาลำแสงเลเซอร์แบบสมมาตรวงกลมที่มีมุมการกระจายแสงต่ำ ตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์ประกอบด้วยโครงสร้าง DBR ด้านล่างของชิปขยายสัญญาณและกระจกสะท้อนเอาต์พุตภายนอก โครงสร้างเรโซเนเตอร์ภายนอกที่เป็นเอกลักษณ์นี้ช่วยให้สามารถแทรกองค์ประกอบทางแสงเข้าไปในโพรงแสงเพื่อการทำงานต่างๆ เช่น การเพิ่มความถี่ การหาความแตกต่างของความถี่ และการล็อกโหมด ทำให้ VECSEL เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ไบโอโฟโตนิกส์ สเปกโทรสโกปีการแพทย์ด้วยเลเซอร์และการฉายภาพด้วยเลเซอร์
ตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบ VC นั้นตั้งฉากกับระนาบที่ตั้งของบริเวณแอคทีฟ และแสงที่เปล่งออกมาก็ตั้งฉากกับระนาบของบริเวณแอคทีฟเช่นกัน ดังแสดงในรูป เลเซอร์ VCSEL มีข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น ขนาดเล็ก ความถี่สูง คุณภาพลำแสงดี ขีดจำกัดความเสียหายของพื้นผิวโพรงสูง และกระบวนการผลิตค่อนข้างง่าย จึงแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานด้านจอแสดงผลเลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง และนาฬิกาแสง อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ VCSEL ไม่สามารถสร้างเลเซอร์กำลังสูงเกินระดับวัตต์ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถนำไปใช้ในสาขาที่ต้องการกำลังสูงได้
ตัวเรโซเนเตอร์เลเซอร์ของ VCSEL ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ที่สร้างขึ้นจากโครงสร้างเอพิแทกเซียลหลายชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งด้านบนและด้านล่างของบริเวณแอคทีฟ ซึ่งแตกต่างจาก...เลเซอร์ตัวเรโซเนเตอร์ประกอบด้วยระนาบการแตกใน EEL ทิศทางของตัวเรโซเนเตอร์แสง VCSEL ตั้งฉากกับพื้นผิวชิป เอาต์พุตเลเซอร์ก็ตั้งฉากกับพื้นผิวชิปเช่นกัน และค่าการสะท้อนแสงของทั้งสองด้านของ DBR สูงกว่าระนาบการแก้ปัญหา EEL มาก
โดยทั่วไปแล้ว ความยาวของตัวเรโซเนเตอร์เลเซอร์ของ VCSEL มีขนาดเพียงไม่กี่ไมครอน ซึ่งเล็กกว่าตัวเรโซเนเตอร์ขนาดมิลลิเมตรของ EEL มาก และอัตราการขยายแบบทางเดียวที่ได้จากการสั่นของสนามแสงในโพรงนั้นต่ำ แม้ว่าจะสามารถสร้างเอาต์พุตโหมดตามขวางพื้นฐานได้ แต่กำลังเอาต์พุตก็สามารถทำได้เพียงไม่กี่มิลลิวัตต์เท่านั้น โปรไฟล์หน้าตัดของลำแสงเลเซอร์เอาต์พุตของ VCSEL เป็นวงกลม และมุมการกระจายตัวมีขนาดเล็กกว่าลำแสงเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบมาก เพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตสูงของ VCSEL จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ส่องสว่างเพื่อให้ได้อัตราการขยายมากขึ้น และการเพิ่มพื้นที่ส่องสว่างจะทำให้เลเซอร์เอาต์พุตกลายเป็นเอาต์พุตแบบหลายโหมด ในขณะเดียวกัน การฉีดกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอในบริเวณส่องสว่างขนาดใหญ่เป็นเรื่องยาก และการฉีดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดความร้อนสะสมมากขึ้น กล่าวโดยสรุป VCSEL สามารถสร้างจุดสมมาตรทรงกลมในโหมดพื้นฐานได้ด้วยการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม แต่กำลังเอาต์พุตจะต่ำเมื่อเอาต์พุตเป็นโหมดเดียว ดังนั้นจึงมักมีการรวม VCSEL หลายตัวเข้าด้วยกันในโหมดเอาต์พุตเดียว
วันที่เผยแพร่: 21 พฤษภาคม 2567