دیود لیزری با تابش سطحی حفره عمودی (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser - VCSEL)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود لیزری با تابش سطحی حفره عمودی (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser - VCSEL) :
دیود لیزری با تابش سطحی حفره عمودی یا VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) نوع خاصی از دیود لیزری است که در آن نور عمود بر سطح ویفر (به صورت عمودی) ساطع می شود، برخلاف لیزرهای لبه گسیل (Edge-Emitting Lasers) که نور از لبه های تراشه خارج می شود. در VCSEL، حفره تشدید (Resonant Cavity) به صورت عمودی و در راستای ضخامت ویفر ساخته شده است.
ساختار VCSEL شامل چندین لایه نازک است. دو آینه با بازتابندگی بسیار بالا (بیش از ۹۹٪) که به آینه های براگ توزیع شده (Distributed Bragg Reflectors - DBRs) معروف هستند، در بالا و پایین یک ناحیه فعال (Active Region) بسیار نازک قرار می گیرند. آینه بالایی معمولا بازتابندگی کمی کمتر دارد تا نور بتواند از آن خارج شود. جریان الکتریکی از طریق یک دهانه (Aperture) به ناحیه فعال تزریق می شود.
مزایای VCSEL نسبت به لیزرهای لبه گسیل بسیار زیاد است. مهم ترین مزیت، پرتو خروجی دایره ای و با واگرایی کم (Low Divergence) است که اتصال به فیبر نوری را بسیار آسان تر و کارآمدتر می کند. همچنین VCSELها را می توان به صورت آرایه های دوبعدی (2D Arrays) بر روی یک ویفر ساخت که امکان تولید توان های بالا و کاربردهای موازی را فراهم می کند.
مزیت دیگر، قابلیت تست ویفر (On-Wafer Testing) است. از آنجایی که نور از سطح خارج می شود، می توان VCSELها را قبل از جداسازی (Dicing) در همان مرحله ویفر تست کرد. این امر هزینه تولید را کاهش می دهد. همچنین VCSELها جریان آستانه (Threshold Current) پایین تری دارند و می توانند با توان کم کار کنند که برای کاربردهای کم مصرف ایده آل است.
سرعت مدولاسیون VCSELها نیز بالا است و می توانند تا نرخ های داده چند ده گیگابیت بر ثانیه مدوله شوند. این ویژگی آنها را برای مخابرات نوری کوتاه برد (Short-Reach Optical Communication) مانند مراکز داده (Data Centers) و اتصالات فیبر نوری درون ساختمانی بسیار مناسب می سازد.
طول موج VCSELها به جنس لایه های DBR و ناحیه فعال بستگی دارد. رایج ترین VCSELها در محدوده ۸۵۰ نانومتر (برای مخابرات نوری و حسگرها) و ۹۴۰ نانومتر (برای حسگرهای مجاورت و لیدار) هستند. VCSELهای قرمز (۶۵۰-۶۷۰ نانومتر) برای کاربردهای نمایشگر و اشاره گر، و VCSELهای فروسرخ با طول موج بلندتر (۱۳۰۰-۱۵۵۰ نانومتر) برای مخابرات راه دور نیز ساخته شده اند.
کاربردهای VCSEL بسیار متنوع و رو به گسترش است. مهم ترین و شناخته شده ترین کاربرد، در حسگرهای مجاورت (Proximity Sensors) و دوربین های تشخیص چهره (Face ID) در تلفن های همراه هوشمند (مانند آیفون) است. در این کاربردها، یک آرایه VCSEL نور فروسرخ ساطع می کند و یک دوربین مخصوص الگوی بازتاب شده را تحلیل می کند تا نقشه سه بعدی از چهره ایجاد کند.
در لیدار (LiDAR) برای خودروهای خودران و ربات ها، آرایه های VCSEL به عنوان منبع نور پالسی استفاده می شوند. آرایه های دوبعدی VCSEL می توانند توان پالسی بالایی تولید کنند و با استفاده از تکنیک های Flash LiDAR، کل صحنه را یکباره روشن کنند و نیازی به اسکن مکانیکی نباشد.
در مخابرات نوری و مراکز داده، VCSELها به عنوان فرستنده در ماژول های نوری (Optical Transceivers) برای اتصالات کوتاه برد (تا چند صد متر) استفاده می شوند. مصرف انرژی پایین و قابلیت مدولاسیون سریع آنها برای این کاربرد ایده آل است. میلیون ها VCSEL سالانه برای این منظور تولید می شود.
در موس های نوری کامپیوتر، یک VCSEL یا LED کوچک نور را به سطح تابانده و حرکت با تحلیل تغییرات بازتاب تشخیص داده می شود. VCSEL به دلیل پرتو متمرکزتر و نویز کمتر، عملکرد بهتری نسبت به LED دارد. همچنین در چاپگرهای لیزری، حسگرهای صنعتی، و تجهیزات پزشکی (مانند جریان سنج های لیزری داپلر) کاربرد دارند.
یکی از زمینه های نوظهور، استفاده از VCSEL در ارتباطات نوری فضا-آزاد (Free-Space Optical Communication) است. آرایه های VCSEL با توان بالا می توانند برای انتقال داده با سرعت بالا بین ساختمان ها یا در فضا (بین ماهواره ها) استفاده شوند. پرتو موازی و کنترل پذیری VCSEL برای این کاربرد مفید است.
در نهایت، VCSELها به دلیل مزایای منحصر به فرد خود از جمله پرتو دایره ای، قابلیت آرایه سازی، مصرف انرژی پایین، و هزینه تولید بالقوه پایین، به یکی از مهم ترین انواع دیودهای لیزری تبدیل شده اند. با پیشرفت فناوری، توان خروجی، بازده و دامنه طول موجی VCSELها همچنان در حال افزایش است و کاربردهای جدیدی در حوزه هایی مانند حسگرها، مخابرات، و تصویربرداری برای آنها در حال ظهور است.
