Einführung & Vorteile

Charakteristisch für einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Resonatoranordnung (VCSEL – Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) ist die Emission und Lichtausbreitung senkrecht zur Schichtstruktur der Halbleiter. In einem VCSEL bestehen beide Laserspiegel normalerweise aus Bragg–Reflektoren mit verteilter Rückkopplung (DBR – Distributed Bragg Reflector), die aus zahlreichen Paaren abwechselnder Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen. Die in der aktiven Schicht emittierte und verstärkte Strahlung wird von beiden DBRs reflektiert, so dass optische Rückkopplung und Laserbetrieb entsteht. Aufgrund der geringen optischen Verstärkung des Lichtes beim vertikalen Durchgang durch die dünne aktive Schicht muss das Reflexionsvermögen der Spiegel groß genug sein. Deshalb erreichen die VCSEL den Laserbetrieb nur, wenn die DBRs eine reflektivität über 99 % erreichen. Auf diese Weise ist der Resonator des VCSELs bereits auf dem Wafer vollständig und emittiert Licht senkrecht zur Oberfläche des Wafers. Bei typischen Chip-Abmessungen von 300 µm x 300 µm befinden sich etwa 10.000 bis 20.000 VCSEL auf einem InP-Wafer mit 2 ZollDurchmesser, die ähnlich wie LEDs mit automatischen Waferprüftechniken getestet werden können. Dafür können Standardverfahren und –ausrüstungen für integrierte Schaltkreise zum Einsatz kommen.
Als Konsequenz der geringen Resonatorlänge (typisch 2-5 µm) arbeiten VCSELs in einem einzigen Longitudinal–Mode. Mit einer geeigneten transversalen Wellenleiterstruktur können die VERTILAS VCSELs darüberhinaus in einem einzigen Transversal–Modus arbeiten. Sie heißen dann ‘Einmoden (Singlemode)–Laser’. Im letzteren Fall können die VCSELs DFB (Distributed FeedBack) Einmoden–Laser adäquat ersetzen. Das geringe Volumen eines VCSEL ist der Hauptgrund für die geringen Schwellenströme um oder sogar unter 1 mA bei Zimmertemperatur.

Die entscheidenden Eigenschaften von VCSELs sind damit:

Geringe Schwellenströme und niedriger Energieverbrauch
Longitudinaler Einmoden-Betrieb
Hoher Wirkungsgrad
Rotationssymmetrischer Lichtstrahl
Geringe Herstellungskosten und preiswerte Testbarkeit
Integrationsfähigkeit in ein- und zweidimensionale Arrays

Kantenemittierende Laserdioden im Vergleich zu VCSELs

Herkömmliche Halbleiterlaser wie die in der Telekommunikation verwendeten DFB-Laser oder die in CD–Playern verwendeten Laser sind Kantenemitter, die das Licht parallel zur Oberfläche des Wafers aussenden. Deshalb muss der Wafer in einzelne Laserbarren oder Chips gespaltet werden, um den Laser mit einer reflektierenden und teilweise transmittierenden Spiegelschicht zu vervollständigen. Erst nach diesem Schritt oder sogar erst nach dem Einbau in ein Gehäuse können die Laser geprüft werden. Im Vergleich zu den einfachen und kostengünstigen Prüfmöglichkeiten von VCSELn direkt auf dem Wafer erfordert das weit mehr Aufwand und verteuert die Laserherstellung. Die VCSEL-Technologie verbindet die Vorteile von Lasern und LEDs und ermöglicht preiswerte und sehr leistungsfähige Laserdioden. Im kurzwelligen Spektralbereich bis etwa 1 µm Wellenlänge avancierten deshalb GaAs (Galliumarsenid)-basierte multimodige VCSEL innerhalb weniger Jahre zum kommerziellen Massenprodukt mit Preisen im Bereich von wenigen Dollar.