VCSEL – Was verbirgt sich hinter der Abkürzung?

Halbleiter-Laserdioden wandeln Spannung in Photonen. VCSELs (vertical-cavity surface-emitting lasers, gesprochen [vixls]) sind eine der Unterarten. Anders als bei kantenemittierenden Laserdioden tritt das Licht bei ihnen vertikal aus der Oberfläche. Das spart Bauraum und erlaubt es, Arrays mit Dutzenden, Hunderten oder sogar tausenden Emittern auf einem Chip unterzubringen. Dank ihrer runden Strahlform lässt sich der Laserstrahl von VCSELs zudem sehr effizient in Fasern einkoppeln. Weitere Vorteile: kostengünstige Fertigung auf Wafern, hohe Modulationsgeschwindigkeiten, Strahlqualität und Energieeffizienz.

Aufgebaut sind VCSEL von unten nach oben aus

  • einem hochreflektierenden (99,9%) Bragg-Reflektor (DBR)
  • einer Oxidschicht
  • der aktiven Laserschicht (quantum well mit Quantenfilm und -barrieren)
  • einer weiteren Oxidschicht mit runder Öffnung zur Strahlformung
  • einem teilreflektierenden (99%) DBR obenauf.

Unter Spannung wirkt die Laserschicht als Quantentopf. Hier – zwischen den zwei DBR-Schichten – sind Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid, Galliumarsenid oder Indium-Phosphid geschichtet, wobei sich Quantenfilme und –barrieren aus unterschiedlichem Materialien abwechseln. Werden hier unter Spannung freie Elektronen eingeleitet, dann sind sie in den Quantenfilmen „gefangen“. Diese sind so dünn, dass sich angeregte Elektronen darin nur horizontal bewegen können. Dagegen können sie in den Barriereschichten frei zirkulieren. Durchlaufen sie den energetisierten Quantenfilm, befördert das das Lasing: also die energetische Anregung und die Freisetzung von Photonen bei der Relaxation.

Ein anschauliches Video-Tutorial gibt es hier.

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