Függőlegesen kibocsátó lézerek

Függőlegesen emittáló lézerek (VCSEL) - "Függőleges üreges felületet kibocsátó lézer" - a dióda félvezető lézer típusa, amely a kristályfelületre merőleges irányban bocsát ki fényt, ellentétben a hagyományos lézerdiódákkal , amelyek a felülettel párhuzamos síkban bocsátanak ki.

Történelmi háttér

Az első függőlegesen kibocsátó VCSEL lézert 1979-ben a Soda, Iga, Kitahara és Yasuharu Suematsu mutatta be, de a szobahőmérsékleten folyamatos működésre szolgáló eszközök csak 1988-ban jelentek meg. 1989-ben Jack Jewell, a Bell Labs/Bellcore (köztük Axel Scherer, Sam McCall, Yun Hee Lee és James Harbison) több mint 1 millió VCSEL-t mutatott be egy kis chipen. Ezek az első teljesen félvezető VCSEL-ek olyan tervezési funkciókat vezettek be, amelyeket még mindig minden kereskedelmi VCSEL-ben használnak. Andrew Yang, a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) munkatársa jelentős finanszírozást kezdeményezett a VCSEL kutatás-fejlesztésére, majd később más kormányzati és ipari finanszírozási erőfeszítésekre. A VCSEL-ek felváltották a kibocsátó lézereket a rövid hatótávolságú üvegszálas kommunikációs alkalmazásokban, mint például a Gigabit Ethernet és a Fibre Channel, és ma már 1 Gbps és 400 Gbps közötti kapcsolati sávszélességre használják.

A nagy sebességű optoelektronikai félvezető heterostruktúrák tanulmányozását a St. A.F. Ioffe az 1960-as évek óta. Zhores Alferov irányítása alatt . Ennek az iránynak a fejlesztésére akadémikus Zh.I. Alferov G. Kremerrel (USA) együtt fizikai Nobel-díjat kapott 2000 -ben . Az ilyen nanoheterostruktúrákon alapuló ultra-nagy sebességű függőlegesen kibocsátó lézerek (VCSEL) létrehozására szolgáló technológiát Németországban szabadalmazták .

Tervezés és gyártás

Az epitaxiális heterostruktúrák gyártásához gallium-arzenid és indium-foszfid szubsztrátumokon végzett molekuláris nyaláb epitaxiás ipari technológiát alkalmazzák . A termesztés nagy vákuum körülmények között történik. A kiindulási anyag áramlását molekulasugár formájában a célszubsztrátumra irányítják, ahol az anyag lerakódik. Így az egyes forrásokból származó anyagáramlás szigorú adagolásával különböző összetételű félvezető anyagot lehet előállítani.

A vertikálisan emittáló lézerek (VCSEL) tervezésének modern változatai különböző összetételű félvezető anyagok váltakozó rétegein alapuló tükrös függőleges optikai mikroüregek használatán alapulnak (például különböző Al-tartalmú AlGaAs szilárd oldatok). Ebben az esetben aktív (fénykibocsátó) régióként általában egy vagy több kvantumkutat használnak .

Előnyök

A VCSEL fő előnyei a hagyományos lézerekhez képest a kimenő optikai sugárzás alacsony szögdivergencia és szimmetrikus sugárzási mintázata, a hőmérséklet és a sugárzás stabilitása, a csoportgyártási technológia, valamint az eszközök közvetlenül a lapkán történő tesztelésének lehetősége. A planáris VCSEL technológia lehetővé teszi integrált lineáris tömbök és kétdimenziós mátrixok kialakítását nagyszámú egyedileg címezhető emitterrel [1] .

A gyakorlatban a nagy sebesség eléréséhez nem csak az aktív régió paramétereinek, az epitaxiális heterostruktúra egészének, valamint a VCSEL kristály topológiájának gondos optimalizálására van szükség.

Alkalmazás

A VCSEL-t elsősorban nagysebességű adatátvitelre használják , 10 Gb/s adatátviteli sebességet biztosító VCSEL-eket a mai napig csak néhány vezető cég gyárt, elsősorban saját adók megvalósítására. Ugyanakkor az Infiniband szabvány fejlesztésére vonatkozó jóváhagyott tervek szerint a következő generációs kábelekben az adatátviteli sebességnek 26 Gb / s-nak kell lennie. Emellett az új USB 3.0 interfész 5 Gb/s sebességgel fog működni optikai csatlakozással, a közeljövőben 25 Gb/s sebesség elérésére képes adatátviteli protokollal. Így a piacon szükség van olyan VCSEL-ekre, amelyek 25 Gbps vagy annál nagyobb adatátviteli sebességet biztosítanak.

Jegyzetek

1. ↑ Kuzmenkov, Alekszandr; et al. Félvezető függőlegesen kibocsátó lézerek, amelyek önszerveződő kvantumkút heterostruktúrákon alapulnak az InGaAs-AlGaAs anyagrendszerben  : folyóirat. – 2008. (Orosz)

Szótárak és enciklopédiák	nagy kínai Britannica (online)