Vertikalt emitterande lasrar

Vertikalt emitterande lasrar (VCSEL) - "Vertical cavity surface emitting laser" - en typ av diodhalvledarlaser som emitterar ljus i en riktning vinkelrät mot kristallytan, i motsats till konventionella laserdioder som emitterar i ett plan parallellt med ytan.

Historisk bakgrund

Den första vertikalt emitterande VCSEL-lasern introducerades 1979 av Soda, Iga, Kitahara och Yasuharu Suematsu, men enheter för kontinuerlig drift vid rumstemperatur dök inte upp förrän 1988. 1989 visade Jack Jewell från Bell Labs/Bellcore (inklusive Axel Scherer, Sam McCall, Yun Hee Lee och James Harbison) över 1 miljon VCSELs på ett litet chip. Dessa första helt halvledar-VCSEL introducerade designfunktioner som fortfarande används i alla kommersiella VCSELs. Andrew Yang från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) initierade betydande finansiering för VCSEL FoU och senare andra statliga och industriella finansieringsinsatser. VCSELs har ersatt emitterande lasrar i fiberkommunikationsapplikationer med kort räckvidd som Gigabit Ethernet och Fibre Channel och används nu för länkbandbredder från 1 Gbps till 400 Gbps.

Studien av halvledarheterostrukturer för höghastighetsoptoelektronik utfördes vid St. A.F. Ioffe sedan 1960-talet. under ledning av Zhores Alferov . För utvecklingen av denna riktning, akademiker Zh.I. Alferov tilldelades tillsammans med G. Kremer (USA) Nobelpriset i fysik 2000 . Tekniken för att skapa ultrahöghastighets vertikalt emitterande lasrar (VCSEL) baserade på sådana nanoheterostrukturer patenterades i Tyskland .

Design och produktion

För tillverkning av epitaxiella heterostrukturer används den industriella tekniken för molekylär strålepitaxi på galliumarsenid- och indiumfosfidsubstrat . Odlingen sker under högvakuumförhållanden. Flödet av källsubstansen riktas i form av en molekylär stråle mot målsubstratet, där ämnet deponeras. Genom att strikt dosera materialflödet från varje källa är det således möjligt att erhålla ett halvledarmaterial av olika sammansättning.

Moderna versioner av designen av vertikalt emitterande lasrar (VCSEL) är baserade på användningen av vertikala optiska mikrohåligheter med speglar baserade på alternerande lager av halvledarmaterial av olika sammansättning (till exempel AlGaAs fasta lösningar med olika Al-innehåll). I det här fallet, som en aktiv (ljusemitterande) region, används som regel en eller flera kvantbrunnar .

Fördelar

De främsta fördelarna med VCSEL jämfört med traditionella lasrar inkluderar låg vinkeldivergens och symmetriskt strålningsmönster för den utgående optiska strålningen, temperatur- och strålningsstabilitet, grupptillverkningsteknik och möjligheten att testa enheter direkt på skivan. Den plana VCSEL-teknologin gör det möjligt att bilda integrerade linjära arrayer och tvådimensionella matriser med ett stort antal individuellt adresserbara sändare [1] .

I praktiken, för att uppnå hög hastighet, är det nödvändigt att inte bara noggrant optimera parametrarna för den aktiva regionen, den epitaxiella heterostrukturen som helhet, såväl som topologin för VCSEL-kristallen.

Applikation

VCSEL används främst för höghastighetsdataöverföring . Hittills produceras VCSEL:er som tillhandahåller dataöverföringshastigheter på 10 Gb/s av endast ett fåtal ledande företag, främst för implementering av sina egna sändare . Samtidigt, enligt de godkända planerna för utvecklingen av Infiniband-standarden, bör dataöverföringshastigheten i nästa generationskablar vara 26 Gb/s. Dessutom kommer det nya USB 3.0 -gränssnittet att fungera med 5 Gb/s med fiberoptisk anslutning, med dataöverföringsprotokoll som kan nå 25 Gb/s inom en snar framtid. Det finns således ett behov på marknaden av VCSEL:er som tillhandahåller datahastigheter i intervallet 25 Gbps och högre.

Anteckningar

1. ↑ Kuzmenkov, Alexander; et al. Halvledare vertikalt emitterande lasrar baserade på självorganiserande kvantbrunnsheterostrukturer i InGaAs-AlGaAs materialsystem  : journal. — 2008. (ryska)

Ordböcker och uppslagsverk	stor kines Britannica (online)