מבוא ללייזר מוליכים למחצה פולט משטח חלל אנכי (VCSEL)

מבוא לפליטת משטח חלל אנכילייזר מוליכים למחצה(VCSEL)
לייזרים פולטי משטח של חלל חיצוני אנכי פותחו באמצע שנות ה-90 כדי להתגבר על בעיה מרכזית שהטרידה את הפיתוח של לייזרים מוליכים למחצה מסורתיים: כיצד לייצר פלטי לייזר בעוצמה גבוהה עם איכות קרן גבוהה במצב רוחבי בסיסי.
לייזרים פולטי משטח חלל חיצוני אנכי (Vecsels), הידועים גם בשםלייזרים דיסק מוליכים למחצה(SDL), הם חבר חדש יחסית במשפחת הלייזרים. זה יכול לתכנן את אורך הגל הפליטה על ידי שינוי הרכב החומר והעובי של הבאר הקוונטית במדיום ההגברה של המוליכים למחצה, ובשילוב עם הכפלת תדר תוך חלל יכול לכסות טווח אורך גל רחב מאולטרה סגול ועד אינפרא אדום רחוק, השגת תפוקת הספק גבוהה תוך שמירה על סטייה נמוכה זווית קרן לייזר סימטרית מעגלית. מהוד הלייזר מורכב ממבנה ה-DBR התחתון של שבב הרווח ומראת צימוד היציאה החיצונית. מבנה תהודה חיצוני ייחודי זה מאפשר הכנסת אלמנטים אופטיים לחלל עבור פעולות כגון הכפלת תדרים, הפרש תדרים ונעילת מצבים, מה שהופך את VECSEL לאידיאלימקור לייזרעבור יישומים החל מביופוטוניקה, ספקטרוסקופיה,רפואת לייזר, והקרנת לייזר.
המהוד של הלייזר המוליך למחצה פולט משטח VC מאונך למישור בו נמצא האזור הפעיל, ואור הפלט שלו מאונך למישור האזור הפעיל, כפי שמוצג באיור. ל-VCSEL יתרונות ייחודיים, כגון קטן גודל, תדירות גבוהה, איכות אלומה טובה, סף נזק משטח חלל גדול ותהליך ייצור פשוט יחסית. הוא מציג ביצועים מצוינים ביישומים של תצוגת לייזר, תקשורת אופטית ושעון אופטי. עם זאת, VCsels לא יכולים להשיג לייזרים בעלי הספק גבוה מעל רמת הוואט, ולכן לא ניתן להשתמש בהם בשדות עם דרישות הספק גבוהות.

מהוד הלייזר של VCSEL מורכב מרפלקטור Bragg מבוזר (DBR) המורכב ממבנה אפיטקסיאלי רב-שכבתי של חומר מוליכים למחצה, הן בצד העליון והן בצד התחתון של האזור הפעיל, השונה מאוד מהצד העליון והתחתון של האזור הפעיל.לייזרמהוד המורכב ממישור מחשוף ב-EEL. כיוון המהוד האופטי של VCSEL מאונך למשטח השבב, פלט הלייזר מאונך גם למשטח השבב, והרפלקטיביות של שני הצדדים של ה-DBR גבוהה בהרבה מזו של מישור פתרון ה-EEL.
אורכו של מהוד הלייזר של VCSEL הוא בדרך כלל כמה מיקרונים, שהוא קטן בהרבה מזה של מהוד המילימטר של EEL, והרווח החד-כיווני המתקבל על ידי תנודת השדה האופטי בחלל הוא נמוך. למרות שניתן להשיג את התפוקה הבסיסית של מצב רוחבי, הספק הפלט יכול להגיע רק למספר מיליווטים. פרופיל החתך של קרן הלייזר של פלט VCSEL הוא מעגלי, וזווית ההתרחקות קטנה בהרבה מזו של קרן הלייזר הפולטת קצה. כדי להשיג תפוקת הספק גבוהה של VCSEL, יש צורך להגדיל את האזור הזוהר כדי לספק יותר רווח, והגדלת האזור הזוהר תגרום ללייזר הפלט להפוך לפלט רב-מצבי. יחד עם זאת, קשה להשיג הזרקת זרם אחידה באזור מואר גדול, והזרקת הזרם הלא אחידה תחמיר את הצטברות חום הפסולת. בקיצור, ה-VCSEL יכול להפיק את הנקודה הסימטרית המעגלית במצב בסיסי באמצעות עיצוב מבני סביר, אבל הספק פלט נמוך כאשר הפלט הוא מצב יחיד. לכן, VCsels מרובים משולבים לעתים קרובות במצב הפלט.