Vertikálně emitující lasery

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. července 2016; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Vertikálně emitující lasery (VCSEL) – „Vertical capacity surface emitting laser“ – typ diodového polovodičového laseru , který na rozdíl od běžných laserových diod vyzařuje v rovině rovnoběžné s povrchem světlo ve směru kolmém k povrchu krystalu .

Historické pozadí

První vertikálně emitující laser VCSEL představili v roce 1979 Soda, Iga, Kitahara a Yasuharu Suematsu, ale zařízení pro nepřetržitý provoz při pokojové teplotě se objevila až v roce 1988. V roce 1989 předvedl Jack Jewell z Bell Labs/Bellcore (včetně Axela Scherera, Sama McCalla, Yun Hee Lee a Jamese Harbisona) přes 1 milion VCSEL na malém čipu. Tyto první polovodičové VCSEL zavedly konstrukční prvky, které se stále používají ve všech komerčních VCSELech. Andrew Yang z Agentury pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) inicioval značné financování výzkumu a vývoje VCSEL a později dalších vládních a průmyslových snah o financování. VCSEL nahradily emitující lasery v aplikacích pro komunikaci na bázi optických vláken krátkého dosahu, jako je Gigabit Ethernet a Fibre Channel, a nyní se používají pro šířky pásma od 1 Gbps do 400 Gbps.

Studium polovodičových heterostruktur pro vysokorychlostní optoelektroniku bylo provedeno v St. A.F. Ioffe od 60. let 20. století. pod vedením Zhores Alferova . Pro rozvoj tohoto směru akademik Zh.I. Alferov spolu s G. Kremerem (USA) získali v roce 2000 Nobelovu cenu za fyziku . Technologie pro vytváření ultra-vysokorychlostních vertikálně emitujících laserů (VCSEL) založených na takových nanoheterostrukturách byla patentována v Německu .

Design a výroba

Pro výrobu epitaxních heterostruktur se používá průmyslová technologie epitaxe molekulárního svazku na substrátech arsenidu galia a fosfidu india . Kultivace probíhá za podmínek vysokého vakua. Proud zdrojové látky je směrován ve formě molekulárního paprsku na cílový substrát, kde se látka ukládá. Přísným dávkováním toku hmoty z každého zdroje je tedy možné získat polovodičový materiál různého složení.

Moderní verze konstrukce vertikálně emitujících laserů (VCSEL) jsou založeny na použití vertikálních optických mikrodutin se zrcadly na bázi střídajících se vrstev polovodičových materiálů různého složení (například tuhé roztoky AlGaAs s různým obsahem Al). V tomto případě se jako aktivní (světlo emitující) oblast zpravidla používá jedna nebo několik kvantových jamek .

Výhody

Mezi hlavní výhody VCSEL ve srovnání s tradičními lasery patří nízká úhlová divergence a symetrický vyzařovací diagram výstupního optického záření, teplotní a radiační stabilita, technologie skupinové výroby a možnost testovat zařízení přímo na waferu. Planární technologie VCSEL umožňuje vytvářet integrovaná lineární pole a dvourozměrné matice s velkým počtem individuálně adresovatelných emitorů [1] .

V praxi je pro dosažení vysoké rychlosti nutné nejen pečlivě optimalizovat parametry aktivní oblasti, epitaxní heterostrukturu jako celek, ale i topologii krystalu VCSEL.

Aplikace

VCSEL se používá především pro vysokorychlostní přenos dat.VCSEL, které poskytují přenosovou rychlost 10 Gb/s, vyrábí zatím jen několik předních společností, především pro implementaci vlastních vysílačů. Zároveň by podle schválených plánů rozvoje standardu Infiniband měla být rychlost přenosu dat v kabelech nové generace 26 Gb/s. Kromě toho bude nové rozhraní USB 3.0 pracovat s rychlostí 5 Gb/s s optickým připojením a protokolem přenosu dat, který bude v blízké budoucnosti schopen dosáhnout rychlosti 25 Gb/s. Na trhu tedy existuje potřeba VCSEL, která poskytují datové rychlosti v rozsahu 25 Gbps a vyšší.

Poznámky

  1. ↑ Kuzmenkov, Alexander; a kol. Polovodičové vertikálně emitující lasery založené na samoorganizujících se kvantově-jamkových heterostrukturách v materiálovém systému InGaAs-AlGaAs  : časopis. — 2008.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie