Pengenalan laser semikonduktor pemancar permukaan rongga vertikal (VCSEL)

Pengenalan permukaan rongga vertikal yang memancarkanlaser semikonduktor(VCSEL)
Laser pemancar permukaan rongga eksternal vertikal dikembangkan pada pertengahan tahun 1990-an untuk mengatasi masalah utama yang telah mengganggu pengembangan laser semikonduktor tradisional: bagaimana menghasilkan keluaran laser berdaya tinggi dengan kualitas sinar tinggi dalam mode transversal fundamental.
Laser pemancar permukaan rongga eksternal vertikal (Vecsels), juga dikenal sebagailaser cakram semikonduktor(SDL), adalah anggota keluarga laser yang relatif baru. Ia dapat merancang panjang gelombang emisi dengan mengubah komposisi material dan ketebalan sumur kuantum dalam media penguatan semikonduktor, dan dikombinasikan dengan penggandaan frekuensi intracavity dapat mencakup rentang panjang gelombang yang luas dari ultraviolet hingga inframerah jauh, mencapai keluaran daya tinggi sambil mempertahankan sudut divergensi rendah dari sinar laser simetris melingkar. Resonator laser tersusun dari struktur DBR bawah chip penguatan dan cermin kopling keluaran eksternal. Struktur resonator eksternal yang unik ini memungkinkan elemen optik dimasukkan ke dalam rongga untuk operasi seperti penggandaan frekuensi, perbedaan frekuensi, dan penguncian mode, menjadikan VECSEL sebagaisumber laseruntuk aplikasi mulai dari biofotonik, spektroskopi,pengobatan laser, dan proyeksi laser.
Resonator laser semikonduktor pemancar permukaan VC tegak lurus terhadap bidang tempat wilayah aktif berada, dan cahaya keluarannya tegak lurus terhadap bidang wilayah aktif, seperti yang ditunjukkan pada gambar. VCSEL memiliki keunggulan unik, seperti ukuran kecil, frekuensi tinggi, kualitas sinar yang baik, ambang batas kerusakan permukaan rongga yang besar, dan proses produksi yang relatif sederhana. Ini menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam aplikasi tampilan laser, komunikasi optik, dan jam optik. Namun, VCsel tidak dapat memperoleh laser berdaya tinggi di atas level watt, sehingga tidak dapat digunakan di bidang dengan kebutuhan daya tinggi.

Resonator laser VCSEL terdiri dari reflektor Bragg terdistribusi (DBR) yang terdiri dari struktur epitaksial multi-lapisan bahan semikonduktor di sisi atas dan bawah wilayah aktif, yang sangat berbeda darilaserresonator yang terdiri dari bidang belahan pada EEL. Arah resonator optik VCSEL tegak lurus terhadap permukaan chip, keluaran laser juga tegak lurus terhadap permukaan chip, dan reflektivitas kedua sisi DBR jauh lebih tinggi daripada bidang solusi EEL.
Panjang resonator laser VCSEL umumnya beberapa mikron, yang jauh lebih kecil daripada resonator milimeter EEL, dan penguatan satu arah yang diperoleh oleh osilasi medan optik di rongga rendah. Meskipun keluaran mode transversal fundamental dapat dicapai, daya keluaran hanya dapat mencapai beberapa miliwatt. Profil penampang sinar laser keluaran VCSEL berbentuk lingkaran, dan sudut divergensi jauh lebih kecil daripada sinar laser pemancar tepi. Untuk mencapai keluaran daya tinggi VCSEL, perlu untuk meningkatkan wilayah bercahaya untuk memberikan lebih banyak penguatan, dan peningkatan wilayah bercahaya akan menyebabkan laser keluaran menjadi keluaran multi-mode. Pada saat yang sama, sulit untuk mencapai injeksi arus yang seragam dalam wilayah bercahaya besar, dan injeksi arus yang tidak merata akan memperburuk akumulasi panas buangan. Singkatnya, VCSEL dapat mengeluarkan titik simetris melingkar mode dasar melalui desain struktural yang wajar, tetapi daya keluarannya rendah saat keluarannya adalah mode tunggal. Oleh karena itu, beberapa VCsel sering kali diintegrasikan ke dalam mode keluaran.