Was ist ein VCSEL-Array?
Ein VCSEL-Array ist ein monolithisches (lineares oder zweidimensionales) Array aus oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator. Jeder VCSEL gibt einen kreisförmigen Strahl ab und kann direkt mit hoher Geschwindigkeit moduliert werden. Dadurch eignen sich diese Geräte sowohl für die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation mit kurzer Reichweite als auch für die optische Sensorik.
Die Abkürzung VCSEL-Array steht für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Array. Dies ist eine Technologie, die in verschiedenen Bereichen der Photonik genutzt wird – meist bei Anwendungen der Sensorik und Kommunikation und dies oftmals bei hohen Volumina. Ein solches Array besteht aus mehreren VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers), die in einem ein- oder zweidimensionalen Gitter oder Muster auf einem Halbleitersubstrat oder -chip angeordnet sind.
VCSELs sind eine Art Halbleiterdiodenlaser, die Licht vertikal von der oberen Oberfläche des Chips emittieren, im Gegensatz zu kantenemittierenden Lasern, die Licht von der seitlichen Oberfläche emittieren – siehe Abbildung 1. Der Laserbetrieb wird durch sorgfältige Formung der Elektrode ermöglicht, um das Blockieren/Absorbieren des Laserlichts zu vermeiden.
Der VCSEL hat gegenüber kantenemittierenden Geräten zwei Vorteile, die ihn für mehrere Anwendungen zur besseren Wahl machen.
Abbildung 1. Ein VCSEL produziert einen symmetrischen, runden Strahl, der sich viel einfacher manipulieren und verwenden lässt, als dies bei einem kantenemittierenden Gerät der Fall ist.
Optische Eigenschaften. Kantenemitter erzeugen einen elliptischen Strahl, der zudem stark divergent und oft astigmatisch ist. Daher erfordert ihre Integration häufig komplexere Strahlformungsoptiken. Bei einem VCSEL ist der abgegebene Strahl jedoch symmetrisch, kreisförmig und deutlich weniger divergent. Dadurch lässt sich der VCSEL-Ausgang viel einfacher auf einen Punkt fokussieren oder in eine optische Faser einkoppeln; somit werden die Kosten und Komplexität der Systeme reduziert.
Elektronische Eigenschaften. Sämtliche Diodenlaser lassen sich direkt durch Schalten ihres Antriebsstroms modulieren. Während Kantenemitter in Kommunikationsanwendungen weit verbreitet sind, erfordert die schnellste Übertragung häufig die zusätzliche Integration eines externen Modulators (z. B. Mach-Zender). Im Gegensatz dazu bedeuten der kurze Resonator und bestimmte andere Aspekte der VCSEL-Architektur, dass sie für eine viel schnellere direkte Modulation als typische Kantenemitter optimiert werden können – siehe Abbildung 2. Dies reduziert wiederum die Gesamtkomplexität und die Kosten.
Abbildung 2. Der kurze Resonator eines VCSEL trägt zu seinen extrem schnell ein-/ausgeschalteten Modulationsgeschwindigkeiten bei, von denen Anwendungen der Datenkommunikation profitieren.
VCSEL-Arrays bestehen aus mehreren einzelnen VCSELs, die in Reihen oder Spalten angeordnet sind. Eine solche Architektur bietet zwei Vorteile – höhere Leistung und einen Mehrkanalbetrieb. Während die optische Leistung von Kantenemittern durch eine Vergrößerung der Resonatorlänge skaliert werden kann, ist dies bei VSCELs nicht möglich, wo die Leistung durch eine Erhöhung der Anzahl der Emitter gesteigert wird. Dies ist bei Erkennungsanwendungen sehr hilfreich, bei denen eine beträchtliche optische Ausgangsleistung erforderlich ist, wie für Time-of-Flight (ToF) oder strukturierte Lichterkennung.
Die einzelnen Emitter können in einigen VCSEL-Arrays unabhängig voneinander betrieben werden. Dies ermöglicht eine erhebliche Flexibilität bei der Formung und Lenkung des emittierten Lichts. Darüber hinaus bietet dies auch eine Datenkommunikationsquelle für die Mehrkanalnutzung, jedoch mit der geringen Größe, Effizienz und Einfachheit der Bauweise, die nur bei einem monolithischen Chip zu finden ist.
Im Hinblick auf ihre Verwendung sind VCSEL-Arrays häufig in einer Reihe von Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsanwendungen zu finden, beispielsweise bei optischen Verbindungen in Rechenzentren und Hochgeschwindigkeitsnetzwerken. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Licht schnell zu modulieren, können sie Daten mit sehr hoher Geschwindigkeit übertragen. Dank ihrer bescheidenen Leistung pro Kanal eignen sie sich besser für Anwendungen mit kurzer Reichweite (bis zu Hunderten von Metern) als für Systeme mit großer Reichweite. Diese Kombination bedeutet, dass VCEL-Arrays besonders gut für optische Verbindungen innerhalb der Hyperscale-Rechenzentren geeignet sind, die jetzt als Unterstützung für das dramatische Wachstum beim Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) erforderlich werden.
Abbildung 3. Die Nutzung von VCELs und VCSEL-Arrays ist in autonomen Fahrzeugen für auf LiDAR basierende Erkennungsanwendungen weit verbreitet.
Wie bereits angemerkt, eignen sich VCSELs und VCSEL-Arrays gut für eine Reihe von optischen Erkennungs- und Bildgebungsanwendungen. Dazu gehören Gesichtserkennungssysteme für Mobiltelefone, PCs oder automatische Türschlösser. Eine wichtige Massenanwendung sind LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) für ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) – siehe Abbildung 3. Ihre Fähigkeit, strukturierte und kohärente Lichtmuster zu emittieren, ist nützlich für die Tiefenwahrnehmung und Kartierung sowie für die Spurverfolgung, Verkehrsannäherungserkennung und automatisiertes Parken.
VCSEL-Arrays finden auch in verschiedenen Bereichen der Industrie- und Unterhaltungselektronik Anwendung. Zu einigen herausragenden Beispielen gehören Laserdrucker, optische Mäuse und Gesten-Erkennungssysteme.
In den Bereichen Biomedizin und Gesundheitswesen: Die Nutzung von VCSEL-Arrays ist bereits bei medizinischen Geräten wie für die Blutsauerstoff-Erkennung gut etabliert. Dank ihrer kompakten Größe und ihrer vorteilhaften Strahleigenschaften lassen sie sich einfach in tragbare Geräte integrieren, bei denen Platz eine große Einschränkung darstellt.
Sensorik und Messtechnik: VCSEL-Arrays lassen sich auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen in der industriellen/gewerblichen Sensorik und Messtechnik finden. Dazu gehören Prozesskontrollanwendungen auf der Grundlage von Spektroskopie und/oder Gassensorik sowie bestimmte Arten der Umweltüberwachung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass VCSEL-Arrays Vorteile wie präzise Steuerung, Skalierbarkeit und einfache Integration in verschiedene Systeme bieten – dies macht sie zu einer entscheidenden Komponente in zahlreichen optischen und photonischen Technologien. Ihre kontinuierliche Weiterentwicklung hat zu einer verbesserten Leistung und erweiterten Anwendungsmöglichkeiten in einer Vielzahl von Bereichen geführt.