Un laser cu diodă laser care emite suprafață verticală sau VCSEL [v'ɪxl] (pentru engleză cu cavitate verticală care emite suprafață laser ) este un tip de diodă laser către semiconductor cu laser cu raze care emite perpendicular pe suprafață, spre deosebire de laserele semiconductoare cu emisie de margine convenționale.
Diodele VCSEL au numeroase avantaje față de laserele cu emisie de margine, în special în ceea ce privește procesul de fabricație:
Prima VCSEL a fost prezentat în 1979 de Soda, Iga, Kitahara și Suematsu, dar a durat până în 1989 , pentru a vedea dispozitivele cu curentul de prag a fost mai mică de 1 m A . În 2005, VCSEL-urile au înlocuit deja laserele cu emisie de plachetă pentru aplicații de comunicații cu fibră optică cu rază scurtă de acțiune , cum ar fi protocoalele Gigabit Ethernet și Fibre Channel .
Rezonatorul laser constă din două oglinzi Bragg paralele cu suprafața napolitanei și, între ele, dintr-o regiune activă formată din unul sau mai multe puțuri cuantice care permit generarea fasciculului laser. Oglinzile Bragg sunt realizate din straturi alternante de index de refracție ridicat și scăzut . Grosimea fiecărui strat este un sfert din lungimea de undă a laserului din material, făcând astfel posibilă obținerea unei reflectanțe mai mare de 99%. În VCSEL-uri, oglinzile cu reflectanță mare sunt necesare pentru a compensa lungimea scurtă a mediului de amplificare.
In majoritatea VCSELs, oglinzile superioare și inferioare sunt P- și n- tip de materiale dopate, respectiv , formând o joncțiune PN . În unele VCSEL-uri mai complexe, regiunile p și n pot fi îngropate între oglinzile Bragg; aceasta implică un proces mai complex pentru realizarea contactului electric cu mediul amplificator, dar limitează pierderile electrice din oglinzile Bragg.
Se efectuează cercetări privind sistemele VCSEL folosind materiale noi. În acest caz, mediul de amplificare poate fi pompat de o sursă de lumină externă cu lungime de undă mai mică (de obicei un alt laser ). Acest lucru face posibilă prezentarea funcționării unui VCSEL fără a adăuga la acesta problema obținerii unor performanțe electrice bune. Cu toate acestea, aceste dispozitive nu pot fi transpuse în majoritatea aplicațiilor actuale.
VCSEL-urile pentru obținerea fasciculelor cu lungime de undă cuprinsă între 650 nm și 1300 nm sunt fabricate de obicei pe napolitane de arsenidă de galiu ( Ga As ). Oglinzile Bragg sunt compuse din straturi alternante de GaAs și arsenură de aluminiu-galiu ( Al x Ga (1-x) As ). Alternanța GaAs / AlGaAs este interesantă pentru construcția VCSEL, deoarece constanta rețelei materialului variază puțin atunci când compoziția se schimbă, permițând astfel creșterea epitaxială a mai multor straturi pe substratul GaAs cu reglare a ochiurilor . Pe de altă parte, indicele de refracție al AlGaA variază foarte mult în funcție de fracțiunea de volum din aluminiu: acest lucru face posibilă reducerea numărului de straturi necesare pentru a obține o oglindă Bragg eficientă (în comparație cu alte materiale). În plus, pentru concentrații mari de aluminiu, este posibil să se formeze un oxid de AlGaAs, care poate fi utilizat pentru a limita curentul într-un VCSEL, făcând astfel posibilă utilizarea curenților de prag foarte mici.
Dispozitive care fac posibilă obținerea fasciculelor între 1300 nm și 2000 nm , care constau din fosfură de indiu cel puțin pentru mediul lor de amplificare.
VCSEL-urile care furnizează fascicule cu o lungime de undă chiar mai mare sunt în 2005 doar în stadiul experimental și, în general, sunt pompate optic.
Pe măsură ce VCSEL-urile emit prin suprafață, acestea pot fi testate direct pe napolitană , înainte de a fi tăiate în dispozitive individuale. Acest lucru reduce costurile de fabricație și, de asemenea, face posibilă producerea lor într-un mod matricial.
Diafragma mare de ieșire a VCSEL-urilor, în comparație cu majoritatea laserelor care emit margini, produce un unghi mai mic de divergență a fasciculului. Astfel, este posibil să conectați un VCSEL la o fibră optică cu eficiență ridicată a cuplării.
Coeficientul de reflexie ridicat al oglinzilor Bragg reduce curentul de prag al VCSEL-urilor, ceea ce reduce consumul de energie. Pe de altă parte, VCSEL-urile emit la puteri mai mici decât laserele emise de napolitane. Curentul de prag scăzut face posibilă obținerea lățimilor de bandă cu modulație intrinsecă mare.
Lungimea de undă a VCSELs poate fi reglat (în intervalul câștig al mediului de amplificare) prin modificarea grosimii straturilor ce formează oglinzile Bragg.
În cele din urmă, în timp ce primele VCSEL-uri emise în mai multe moduri longitudinale sau în modul filament, era obișnuit în 2005 să întâlnim VCSEL-uri monomod.