Um diodo laser que emite uma superfície de cavidade vertical ou VCSEL [v'ɪxl] (para o inglês que emite um laser de superfície de cavidade vertical ) é um tipo de diodo laser para semicondutor que emite um raio laser perpendicular à superfície, ao contrário dos lasers semicondutores convencionais de emissão de borda.
Os diodos VCSEL têm muitas vantagens sobre os lasers emissores de borda, em particular no que diz respeito ao processo de fabricação:
O primeiro VCSEL foi apresentada em 1979 por soda, de Iga, Kitahara e Suematsu, mas demorou até 1989 para ver dispositivos com a corrente limiar era inferior a 1 m A . Em 2005, os VCSELs já haviam substituído os lasers emissores de wafer por aplicativos de comunicação de fibra óptica de curto alcance, como Gigabit Ethernet e protocolos Fibre Channel .
O ressonador a laser é composto por dois espelhos de Bragg paralelos à superfície do wafer e, entre eles, por uma região ativa composta por um ou mais poços quânticos que permitem a geração do feixe de laser. Os espelhos de Bragg são feitos de camadas alternadas de alto e baixo índice de refração . A espessura de cada camada é de um quarto do comprimento de onda do laser no material, possibilitando a obtenção de uma refletância superior a 99%. Em VCSELs, espelhos de alta refletância são necessários para compensar o curto comprimento do meio de amplificação.
Na maioria dos VCSELs, os espelhos superior e inferior são materiais dopados do tipo p e do tipo n , respectivamente , formando uma junção PN . Em alguns VCSELs mais complexos, as regiões p e n podem estar enterradas entre os espelhos de Bragg; isso envolve um processo mais complexo para fazer o contato elétrico com o meio amplificador, mas limita as perdas elétricas nos espelhos de Bragg.
A pesquisa está sendo realizada em sistemas VCSEL usando novos materiais. Nesse caso, o meio de amplificação pode ser bombeado por uma fonte de luz externa de comprimento de onda mais curto (geralmente outro laser ). Isso torna possível apresentar o funcionamento de um VCSEL sem acrescentar o problema de obter um bom desempenho elétrico. No entanto, esses dispositivos não podem ser transpostos para a maioria dos aplicativos atuais.
Os VCSELs para a obtenção de feixes de comprimento de onda entre 650 nm e 1300 nm são normalmente fabricados em wafers de arsenieto de gálio ( Ga As ). Os espelhos de Bragg são compostos por camadas alternadas de GaAs e arsenieto de alumínio-gálio ( Al x Ga (1-x) As ). A alternância GaAs / AlGaAs é interessante para a construção de VCSEL, pois a constante de rede do material varia pouco quando a composição muda, permitindo assim o crescimento epitaxial de múltiplas camadas no substrato GaAs com ajuste de malha . Por outro lado, o índice de refração dos AlGaAs varia muito em função da fração volumétrica do alumínio: isso permite minimizar o número de camadas necessárias para obter um espelho de Bragg eficaz (em comparação com outros materiais). Além disso, para altas concentrações de alumínio, é possível formar um óxido de AlGaAs, que pode ser usado para limitar a corrente em um VCSEL, tornando assim possível usar correntes de limiar muito baixas.
Existem dispositivos que permitem obter feixes entre 1300 nm e 2000 nm , constituídos por fosfeto de índio, pelo menos para o seu meio de amplificação.
Os VCSELs que fornecem feixes de comprimentos de onda ainda maiores estão em 2005 apenas no estágio experimental e, em geral, são opticamente bombeados.
Como os VCSELs emitem através da superfície, eles podem ser testados diretamente no wafer , antes de serem cortados em dispositivos individuais. Isso reduz seu custo de fabricação e também permite produzi-los de forma matricial.
A grande abertura de saída dos VCSELs, em comparação com a maioria dos lasers emissores de borda, produz um ângulo de divergência de feixe menor. Assim, é possível conectar um VCSEL a uma fibra óptica com alta eficiência de acoplamento.
O alto coeficiente de reflexão dos espelhos de Bragg reduz a corrente de limiar dos VCSELs, o que diminui seu consumo de energia. Por outro lado, os VCSELs emitem em potências menores do que os lasers emitidos pelo wafer. O baixo limiar de corrente também possibilita a obtenção de larguras de banda com alta modulação intrínseca.
O comprimento de onda dos VCSELs pode ser ajustado (dentro da faixa de ganho do meio de amplificação) modificando a espessura das camadas que formam os espelhos de Bragg.
Finalmente, enquanto os primeiros VCSELs emitiam em modos longitudinais múltiplos ou em modo de filamento, era comum em 2005 encontrar VCSELs monomodo.