Лазер с вертикальным излучением¶

Лазер с вертикальным излучением (VCSEL, от англ. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) — это тип полупроводникового лазера, в котором излучение выходит перпендикулярно поверхности кристалла (вертикально), в отличие от традиционных полосковых лазеров, где свет распространяется вдоль плоскости подложки. Ключевая особенность — резонатор Фабри-Перо образован распределёнными брэгговскими отражателями (DBR), расположенными сверху и снизу от тонкого активного слоя.

¶Устройство и принцип работы

Структура VCSEL выращивается методом эпитаксии на подложке из арсенида галлия (GaAs) или фосфида индия (InP). Основные элементы:

• Активная область — один или несколько квантовых ям (например, InGaAs/GaAs) толщиной в несколько нанометров, где происходит генерация фотонов.
• Распределённые брэгговские отражатели — многослойные зеркала из чередующихся слоёв с разным показателем преломления (например, AlGaAs/GaAs). Коэффициент отражения достигает 99,9 %.
• Токовая апертура — слой оксида или имплантированной области, ограничивающий протекание тока и формирующий область генерации диаметром 3–10 мкм.
• Контактные площадки — наносятся на верхнюю и нижнюю стороны для подвода тока.

При подаче прямого смещения инжектируются носители заряда, которые рекомбинируют в квантовых ямах с испусканием фотонов. Вертикальная геометрия резонатора обеспечивает одномодовый (при малой апертуре) или многомодовый режим генерации с круглым, симметричным выходным пучком.

¶Отличия от полосковых лазеров

В отличие от лазеров с торцевым излучением (EEL), VCSEL имеет ряд принципиальных преимуществ:

• Низкий пороговый ток — от 0,1 до нескольких миллиампер, что снижает энергопотребление.
• Круглое пятно излучения — упрощает фокусировку и ввод в оптическое волокно.
• Возможность тестирования на пластине — до разделения на кристаллы, что удешевляет производство.
• Высокая скорость модуляции — до 25–50 Гбит/с на канал.
• Узкий спектр — ширина линии менее 1 нм, что важно для спектрального уплотнения.

Недостатками являются меньшая (по сравнению с EEL) выходная мощность (обычно 0,5–5 мВт для одномодовых) и более сложная технология изготовления многослойных зеркал.

¶Материалы и длины волн

Наиболее распространены VCSEL на основе GaAs, излучающие в диапазоне 780–1100 нм. Для телекоммуникаций (1310 нм и 1550 нм) используются структуры на основе InP, а также квантовых точек. Для диапазона 650–670 нм применяются AlGaInP-структуры. Существуют также VCSEL среднего ИК-диапазона на основе антимонидов (2–3 мкм) для газовой спектроскопии.

¶Применение

Основные области использования:

• Оптические датчики — компьютерные мыши, лазерные дальномеры, системы автофокусировки.
• Оптическая связь — трансиверы для дата-центров и локальных сетей (стандарты 100G/400G Ethernet), активные оптические кабели.
• 3D-сенсоры — в системах распознавания лиц (например, в смартфонах) и LiDAR для автомобилей.
• Промышленность — маркировка, лазерная печать, медицинская косметология.
• Научные исследования — атомная физика, спектроскопия, оптическая когерентная томография.

¶История

Идея вертикального резонатора была предложена в 1979 году Кэндзи Игой (Токийский технологический институт). Первые работающие образцы при комнатной температуре созданы в 1988 году Джеком Джевеллом (Bell Labs). С 1990-х годов началось промышленное производство, а с 2000-х VCSEL стали массово применяться в оптических мышах и датчиках. В 2017 году они получили широкую известность благодаря внедрению 3D-камер в смартфоны.

¶Перспективы

Развитие технологии направлено на увеличение мощности (матрицы VCSEL), освоение новых длин волн, повышение скорости модуляции до 100 Гбит/с и интеграцию с кремниевой фотоникой. Перспективным направлением являются когерентные VCSEL для коротких линий связи и использование в квантовых коммуникациях.