Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser

Der Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL [v'ɪxl]) ist ein Halbleiterlaser, bei dem das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zum herkömmlichen Kantenemitter, bei dem das Licht an ein oder zwei Flanken des Chips austritt.

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Merkmale

• geringe Herstellungskosten
• geringer Stromverbrauch
• testbar auf dem Wafer
• hohe Einkoppeleffizienz in Glasfasern
• können in Gitteranordnungen hergestellt werden
• monomodige Laser verfügbar
• Abstimmbarkeit der Wellenlänge
• Ausgangsleistung geringer als bei Kantenemittern
• hohe intrinsische Modulationsbandbreiten

Anwendungen

• Glasfaser-Datenübertragung, als optischer Sender eingesetzt
• Analoge Breitband-Signalübertragung
• Absorptionsspektroskopie (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)
• Laserdrucker

Struktur

Der Laserresonator wird durch zwei parallel zur Ebene des Wafer angeordnete DBR-Spiegel (Distributed Bragg-Reflector) gebildet, zwischen denen eine aktive Zone (üblicherweise mit zweidimensionalen Quantentöpfen) für die Erzeugung des Laserlichts eingebettet ist. Derartige planare DBR-Spiegel sind aus Schichten mit abwechselnd niedriger und hoher Brechzahl aufgebaut, die jeweils eine optische Dicke von einem Viertel der Laserwellenlänge im Material haben. Dadurch werden die im VCSEL erforderlichen Intensitätsreflektivitäten von über 99% realisiert. Aufgrund der kleinen Abmessungen des eigentlichen Lasers von nur wenigen Mikrometern in jeder Richtung haben VCSEL kleinere Ausgangsleistungen im Vergleich zu Kantenemitteren.

Man unterscheidet optisch gepumpte VCSEL, bei denen die aktive Zone von außen mit Licht kürzerer Wellenlänge zum Strahlen angeregt wird, und elektrisch gepumpte VCSEL, die eine p-i-n-Diode darstellen.

VCSEL für Wellenlängen zwischen 650 nm und 1300 nm basieren praktisch ausschließlich auf GaAs-Wafern, während bei Wellenlängen zwischen 1300 nm und 2000 nm (sog. langwellige VCSEL) zumindest die aktive Zone auf InP oder GaInAsN basiert. VCSEL mit noch höherer Wellenlänge sind derzeit experimentell und zumeist optisch gepumpt.

Sonderformen

• Mehrere aktive Zonen
• VCSEL mit Tunnelkontakt. Hier wird durch den Tunnelkontakt (n⁺p⁺) eine elektrisch vorteilhafte n-n⁺p⁺-p-i-n Konfiguration erzeugt, die auch verschiedene andere Strukturdetails positiv beeinflussen kann (z.B. beim Buried Tunnel Junction (BTJ)).
• Weit abstimmbarer VCSEL mit einem mikromechanisch (MEMS) beweglichen Spiegel. Auch genannt Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL)
• Wafer-bonded bzw. wafer-fused VCSEL: Kombination von Halbleitermaterial, das auf unterschiedlichen Arten von Wafer-Substraten hergestellt werden kann
• Monolithisch optisch gepumpte VCSEL: Zwei aufeinandergesetzte VCSEL, bei denen der eine den anderen optisch pumpt
• VCSEL mit longitudinal integrierter Monitordiode: Unter dem rückwärtigen Spiegel wird eine Photodiode integriert
• VCSEL mit transversal integrierter Monitordiode: Durch geeignetes Abätzen kann aus dem Wafer eines VCSELs auch eine resonante Photodiode für Licht eines benachbarten VCSELs hergestellt werden.

Historisches

Den ersten VCSEL haben 1979 Soda, Iga, Kitahara und Suematsu vorgestellt, jedoch wurden Bauelemente mit einem Schwellstrom unter 1 mA erst 1989 präsentiert. Heute haben VCSEL die Kantenemitter bei optischen Kurzstreckenverbindungen wie Gigabit Ethernet oder Fibre Channel verdrängt.