מבוא ללייזר מוליך למחצה פולט משטחי חלל אנכי (VCSEL)

מבוא לפליטת משטח חלל אנכילייזר מוליך למחצה(VCSEL)
לייזרים פולטי-שטח אנכיים בעלי חלל חיצוני פותחו באמצע שנות ה-90 כדי להתגבר על בעיה מרכזית שפקדה את פיתוח לייזרים מסורתיים למחצה: כיצד לייצר פלטי לייזר בעלי הספק גבוה ואיכות קרן גבוהה במצב רוחבי בסיסי.
לייזרים פולטי פני שטח אנכיים בעלי חלל חיצוני (Vecsels), הידועים גם בשםלייזרים דיסקיים מוליכים למחצה(SDL), הם חברים חדשים יחסית במשפחת הלייזרים. הם יכולים לתכנן את אורך הגל של הפליטה על ידי שינוי הרכב החומר ועובי הבאר הקוונטית במדיום ההגבר של המוליך למחצה, ובשילוב עם הכפלת תדר תוך-חללי הלייזר ניתן לכסות טווח אולטרה סגול ועד אינפרא אדום רחוק, ולהשיג תפוקת הספק גבוהה תוך שמירה על קרן לייזר סימטרית מעגלית עם זווית סטייה נמוכה. מהוד הלייזר מורכב ממבנה DBR התחתון של שבב ההגבר וממראה חיצונית לצימוד פלט. מבנה מהוד חיצוני ייחודי זה מאפשר להכניס אלמנטים אופטיים לחלל הלייזר לפעולות כגון הכפלת תדר, הפרש תדר ונעילת מצבים, מה שהופך את VECSEL לאידיאלי.מקור לייזרעבור יישומים החל מביופוטוניקה, ספקטרוסקופיה,רפואת לייזר, והקרנת לייזר.
המהוד של לייזר מוליך למחצה הפולט VC-משטח ניצב למישור שבו נמצא האזור הפעיל, ואור המוצא שלו ניצב למישור האזור הפעיל, כפי שמוצג באיור. ל-VCSEL יתרונות ייחודיים, כגון גודל קטן, תדר גבוה, איכות קרן טובה, סף נזק גדול למשטח חלל ותהליך ייצור פשוט יחסית. הוא מציג ביצועים מצוינים ביישומים של תצוגת לייזר, תקשורת אופטית ושעון אופטי. עם זאת, VCsels אינם יכולים להשיג לייזרים בעלי הספק גבוה מעל רמת הוואט, ולכן לא ניתן להשתמש בהם בתחומים עם דרישות הספק גבוהות.

מהוד הלייזר של VCSEL מורכב ממשקף בראג מבוזר (DBR) המורכב ממבנה אפיטקסיאלי רב שכבתי של חומר מוליך למחצה בצדדים העליונים והתחתונים של האזור הפעיל, השונה מאוד מה-לייזרמהוד המורכב ממישור ביקוע ב-EEL. כיוון מהוד האופטי VCSEL ניצב לפני השטח של השבב, פלט הלייזר ניצב גם הוא לפני השטח של השבב, וההחזרה של שני צידי ה-DBR גבוהה בהרבה מזו של מישור הפתרון של EEL.
אורך מהוד הלייזר של VCSEL הוא בדרך כלל כמה מיקרונים, שהוא קטן בהרבה מזה של מהוד המילימטר של EEL, וההגבר החד-כיווני המתקבל מתנודת השדה האופטי בחלל הוא נמוך. למרות שניתן להשיג את הפלט במצב רוחבי בסיסי, הספק המוצא יכול להגיע רק לכמה מילי-וואט. פרופיל החתך של קרן לייזר המוצא של VCSEL הוא מעגלי, וזווית הדיברגנציה קטנה בהרבה מזו של קרן הלייזר הפולטת קצה. כדי להשיג תפוקת הספק גבוהה של VCSEL, יש צורך להגדיל את אזור האור כדי לספק הגבר גדול יותר, והגדלת אזור האור תגרום ללייזר המוצא להפוך לפלט רב-מצבים. יחד עם זאת, קשה להשיג הזרקת זרם אחידה באזור אור גדול, והזרקת זרם לא אחידה תחריף הצטברות חום פסולת. בקיצור, VCSEL יכול להפיק את הנקודה הסימטרית המעגלית במצב בסיסי באמצעות תכנון מבני סביר, אך הספק המוצא נמוך כאשר המוצא הוא במצב יחיד. לכן, VCsel מרובים משולבים לעתים קרובות במצב המוצא.