VCSEL to lasery półprzewodnikowe, które emitują światło w kierunku prostopadłym do swojej powierzchni. Wnękę rezonansową stanowi w nich zespół dwóch zwierciadeł Bragga, pomiędzy którymi znajduje się obszar aktywny, o grubości przeważnie kilku mikrometrów. W większości przypadków lasery VCSEL są zasilane źródłem o mocy kilkudziesięciu miliwatów, zaś ich moc wyjściowa mieści się w zakresie od pół do kilku miliwatów albo więcej, w przypadku urządzeń wielomodowych.
Najczęściej lasery tego typu z GaAs/AlGaAs emitują promieniowanie o długości fali z zakresu 750-980 nm (często około 850 nm). Można też uzyskać większą długość fali, na przykład 1,3 μm, 1,55 μm, a nawet powyżej 2 μm, która jest wymagana w niektórych aplikacjach (głównie w czujnikach), wykorzystując materiały GaInNAs/GaAs albo InAlGaAsP/InP.
Co wyróżnia lasery VCSEL?
W porównaniu z laserami o emisji krawędziowej lasery VCSEL wyróżnia mała rozbieżność wiązki oraz symetryczność jej profilu. Ułatwia to jej kolimację z wykorzystaniem prostych elementów optycznych. Ważną praktyczną zaletą laserów tego typu w porównaniu z laserami o emisji krawędziowej jest też możliwość ich testowania w blokach, jeszcze przed rozcięciem na poszczególne urządzenia. Umożliwia to wczesną identyfikację problemów z jakością i natychmiastową reakcję. Oprócz tego można je już na tak wczesnym etapie produkcji zbiorczo łączyć z niezbędnymi komponentami optycznymi, na przykład soczewkami kolimacyjnymi, zamiast domontowywać elementy optyczne indywidualnie dopiero dla każdego lasera VCSEL. Ułatwia to oraz zmniejsza koszty masowej produkcji urządzeń z tego typu laserami. Lasery VCSEL mogą być również eksploatowane w wyższych temperaturach niż te o emisji krawędziowej.
Jak zwiększyć moc wyjściową laserów VCSEL?
Większą moc można uzyskać, tworząc matryce laserów VCSEL. Zwykle w ten sposób łączy się tysiące emiterów, rozmieszczonych w odstępach kilkudziesięciu mikrometrów, uzyskując moc wyjściową rzędu dziesiątek lub setek watów. Można ją łatwo zwiększać (skalować) przez zwiększanie liczby emiterów, należy jednak pamiętać, że jakość wiązki ulega wówczas przeważnie pogorszeniu. By temu zapobiec, stosuje się konstrukcje, które umożliwiają skoordynowanie emisji wszystkich laserów VCSEL w danej matrycy. Choć poprawia to jakość wiązki, niestety skutkuje również spadkiem sprawności energetycznej.
Ponadto, aby uzyskać większą moc wyjściową, przy jednocześnie wciąż jednomodowej emisji, korzysta się z konstrukcji VECSEL (Vertical External-Cavity Surface-Emitting Lasers). Są one jednak mniej kompaktowe niż lasery VCSEL.
Przegląd zastosowań laserów VCSEL
Podobnie jak inne rodzaje laserów, również VCSEL są wykorzystywane w komunikacji optycznej jako nadajniki. VCSEL są oprócz tego powszechnie stosowane jako elementy pomiarowe - przede wszystkim czujniki gazów oraz biomedyczne.
2021-2026
Jako sensory gazów wykorzystuje się lasery VCSEL o przestrajanej długości fali. Zasada pomiaru w tym przypadku opiera się na monitorowaniu reakcji cząsteczek gazu pod wpływem absorpcji światła laserowego o określonej długości fali. Czujniki z laserami VCSEL są używane tylko do pomiaru jednego rodzaju cząsteczki gazowej jednocześnie, ale sprawdzają się w wykrywaniu gazów różnego typu, m.in. tlenu, pary wodnej, metanu, dwutlenku węgla. Poza tym tytułowe lasery są też wbudowywane w sprzęt komputerowy - przykładem są myszki. Wskaźniki te z laserem VCSEL jako źródłem światła cechują się dużą dokładnością śledzenia, w połączeniu z niskim zużyciem energii elektrycznej, co jest ważne w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie.
Przyszłość rynku laserów VCSEL
Jak wspomnieliśmy we wstępie, prognoza dla globalnego rynku laserów półprzewodnikowych o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową jest pozytywna - według Markets and Markets jego wartość zwiększy się z 1,4 mld dolarów w 2021 roku do 3,3 mld dolarów w 2026 roku, co oznaczać będzie rekordowy średni coroczny wzrost aż o prawie 19%. Najszybciej będzie się zwiększał popyt na lasery VCSEL na bazie GaAs.
Głównym czynnikiem, który będzie napędzał zapotrzebowanie na lasery tego typu, będzie upowszechnianie się kamer skanujących oraz renderujących obiekty w 3D, które stają się standardową funkcją w smartfonach z najwyższej półki.
Ogromną szansę dla rynku tytułowych laserów stworzy również przemysł motoryzacyjny. Przewiduje się, że najbardziej obiecujące dla rynku laserów półprzewodnikowych o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową okażą się dwie aplikacje: śledzenie ruchu wewnątrz kabiny pojazdu oraz LiDAR.
Jeżeli chodzi o to pierwsze, to najbardziej perspektywiczne zastosowania laserów VCSEL obejmować mają monitorowanie ruchu kierowcy i pasażerów. W pierwszym przypadku, na podstawie zgromadzonych danych będzie można m.in. ocenić stan kierującego, wykrywając na przykład to, czy nie jest rozkojarzony, senny, nieprzytomny i kontrolować, czy skupia się na drodze. Czujniki laserowe w kabinie umożliwiają również rozpoznawania gestów, co pozwoli na realizację sterowania gestami m.in. pokładowymi systemami nawigacji, komunikacji i informacyjno-rozrywkowymi. Szansą dla skanerów LiDAR będzie z kolei rozwój technologii pojazdów autonomicznych.
Monika Jaworowska
