VCSEL-Laserdiode

Beim Vergleich von EEL-Lasern mit VCSELs gibt es einige deutliche Unterschiede, die VCSELs in vielerlei Hinsicht zu einer überlegenen Technologie machen.

Struktur und Funktionalität:

Einer der bemerkenswertesten Unterschiede liegt in ihrer Struktur. EEL-Laser sind dünn, lang und emittieren Licht vom Rand, was ihre Skalierbarkeit und Leistungskonsistenz einschränkt. VCSELs hingegen sind kompakt und emittieren Licht von der Oberfläche, wodurch sie einfacher in Massenproduktion hergestellt werden können und gleichzeitig eine gleichbleibende Leistung bieten. Es ist, als würde man einen schmalen Strohhalm mit einem weit geöffneten Trichter vergleichen, und der Unterschied im Design kann drastische Auswirkungen auf die Funktionalität haben.

Energieeffizienz:

Beim Stromverbrauch liegen VCSEL-Laser weit vorne. Sie verbrauchen viel weniger Strom als EEL-Laser und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die eine effiziente Leistung erfordern. Dies ist besonders wichtig in Rechenzentren und Unterhaltungselektronik, wo Energieeffizienz ein wachsendes Anliegen ist. Warum Energie verschwenden, wenn man mit weniger Energie die gleichen oder sogar bessere Ergebnisse erzielen kann?

Leistung der optischen Kommunikation:

Auch im Bereich der optischen Kommunikation sorgt die VCSEL-Technologie für Furore. VCSELs sind in der Lage, Daten schneller und effizienter zu übertragen als EEL-Laser und werden zur Lösung der Wahl für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Dies ist von Bedeutung in einer Welt, die zunehmend auf schnellen und zuverlässigen Datenaustausch angewiesen ist.

Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) bieten gegenüber anderen Lasertypen verschiedene Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören: Oberflächenemission, die Designflexibilität für adressierbare Arrays bietet; Geringe Temperaturabhängigkeit der Laserwellenlänge; Ausgezeichnete Zuverlässigkeit; Herstellungsprozess auf Waferebene. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich VCSELs besser für ein breites Anwendungsspektrum als herkömmliche kantenemittierende Diodenlaser und LEDs. Die VCSEL-Technologie von BrandNewTech umfasst Epitaxiestruktur und Chipdesign, Epitaxiewachstum, Front-End- und Back-End-Verarbeitung, Verpackung sowie erweiterte Tests und Simulationen. Der VCSEL ist heute eine etablierte Lichtquelle für die Datenübertragung in Kurzstreckenverbindungen, Interconnects und lokalen Netzwerken (LANs, SANS usw.). Bei diesen Anwendungen wird der VCSEL zur Übertragung digitaler Signale ein-aus-moduliert. Neuere Arbeiten zur analogen Modulation von VCSELs zeigen, dass VCSELs auch geeignete Lichtquellen für die Übertragung von HF- und Mikrowellensignalen sind, z. B. in Radio-over-Fiber-Netzwerken (RoF), die bei der Antennenfernübertragung in zellularen Systemen für die mobile Kommunikation verwendet werden. Es gibt noch viele weitere Vorteile: Hohe Effizienz: VCSELs sind hocheffizient und können bei relativ geringer Eingangsleistung viel Licht erzeugen. Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es auf Energieeffizienz ankommt. Niedrige Kosten: VCSELs sind relativ einfach herzustellen und daher kostengünstiger als andere Lasertypen. Geringe Wärmeentwicklung: VCSELs erzeugen sehr wenig Wärme und eignen sich daher für den Einsatz in kompakten Geräten, bei denen die Wärmeableitung ein Problem darstellt. Hohe Zuverlässigkeit: VCSELs zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aus und eignen sich daher für geschäftskritische Anwendungen, bei denen Ausfallzeiten keine Option sind. Vielseitigkeit: VCSELs können für den Betrieb bei verschiedenen Wellenlängen konzipiert und mit hohen Geschwindigkeiten moduliert werden, wodurch sie für ein breites Anwendungsspektrum geeignet sind.

VCSEL-basierte Sensoren können Distanz und Geschwindigkeit in drei Dimensionen messen und werden bereits in großen Stückzahlen für professionelle und Verbraucheranwendungen produziert. Es nutzt mehrere physikalische Prinzipien: VCSELs werden als Infrarotbeleuchtung für Überwachungskameras verwendet. Hochleistungsarrays in Kombination mit Abbildungsoptik sorgen für eine gleichmäßige Ausleuchtung von Szenen über eine Reichweite von Hunderten von Metern. Bei der Flugzeitmethode werden gepulste VCSELs als Lichtquellen verwendet, entweder als intensive Einzelimpulse mit niedrigem Tastverhältnis oder als Impulsfolgen. Aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht und der starken Abschwächung des Signals mit zunehmender Entfernung sind bei Entfernungen von bis zu 100 Metern Laserleistungen von mehreren Watt erforderlich. VCSEL-Arrays ermöglichen eine Leistungsskalierbarkeit und können sehr kurze Impulse bei höheren Leistungsdichten liefern. Die Anwendungen reichen von erweiterten Funktionen in Smartphones über Industriesensoren bis hin zu Automotive-LiDAR für Fahrerassistenz und autonomes Fahren. Die selbstmischende Interferometrie arbeitet mit kohärenten Laserphotonen, die in den Hohlraum zurückgestreut werden. Es ist daher unempfindlich gegenüber Umgebungslicht. Mit der Methode können Zielgeschwindigkeit und -entfernung mit sehr hoher Genauigkeit über Entfernungen von bis zu einem Meter gemessen werden. Singlemode-VCSELs mit integrierten Fotodioden und gitterstabilisierter Polarisation ermöglichen sehr kompakte und kostengünstige Produkte. Neben den bekannten Anwendungen von Computereingabegeräten werden auch neue Anwendungen mit noch höherer Präzision untersucht, beispielsweise für die Messung von Fahrgeschwindigkeiten im Automobilbereich bis 250 km/h. Alle Messmethoden nutzen bekannte VCSEL-Eigenschaften wie Robustheit, Temperaturstabilität und das Potenzial für integrierte Optik- und Elektronikgehäuse. Dadurch sind VCSEL-Sensoren ideal für neue Großanwendungen im Verbraucher- und Automobilmarkt geeignet.

Derzeit werden VCSELs hauptsächlich in der Datenkommunikation verwendet. Es wird erwartet, dass der VCSEL-Markt erheblich wachsen wird, da sich die Nachfrage nach Smartphones, LiDAR-, 5G- und IoT-Geräten und -Technologien verändert und wächst. Da es sehr einfach ist, mehrere Laser auf einem einzigen Array herzustellen, werden VCSELs in den nächsten Jahrzehnten ein großes Potenzial für den Einsatz in solchen neuen Technologien haben, solange die Leistung weiterhin in Watt und Kilowatt ansteigt. Insbesondere Produkte der nächsten Generation in der Industrie- und 3D-Sensorik werden umfangreiche Einsätze von VCSELs erfordern, um Design- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Wenn zwei oder drei VCSELs auf einem einzigen Chip kombiniert werden, können sie für hochpräzise Geschwindigkeitsmessungen in Sensoranwendungen verwendet werden. Beispielsweise nutzte das 2017 erschienene iPhone X drei VCSELs, um die Gesichtserkennung zu ermöglichen. Bahnbrechende Produkte entstehen, wenn VCSELs zu Tausenden oder sogar Millionen gleichzeitig auf einem einzigen Chip kombiniert werden. Zehntausend VCSELs zusammen würden eine breite Akzeptanz der LiDAR-Technologie bei Verbrauchern ermöglichen, beispielsweise für selbstfahrende Autos.