VCSELs für Smartphones, Autos und Industrieprozesse

In der Datenübertragung sind Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) seit Ende der 1990er Jahre unverzichtbar. Nun geht ihr Siegeszug in Medizintechnik, industriellen Prozessen sowie in Smartphones und beim automatisierten Fahren weiter.

Zehn Jahre hat es vom Produktionsstart der ersten kommerziellen Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) gedauert, bis Finisar 2006 den 50 Millionsten VCSEL auslieferte. Weitere elf Jahre später – 2017 – hatte der jüngst von der II-VI Incorporation übernommene Marktpionier schon 300 Millionen Einheiten verkauft.

Auch die Leistungsfähigkeit der VCSELS nahm in diesem Zeitraum rasant zu. Konnten erste VCSEL in der Datenübertragung per Glasfaser bis zu 1 Gigabit/Sekunde (Gbps) modulieren, so sind es heute 25 Gbps; in Demonstratoren sogar 56 Gbps.

Aufbruchsstimmung und Vorbereitungen auf den Boom

Schon seit längerem wachsen die vertikal oberflächenemittierenden Laser über ihre Ursprungsmärkte in der Datenkommunikation hinaus. Unter anderem haben sie in Laserdruckern, Autofokussystemen von Kameras und in der Sensorik Fuß gefasst. Doch aktuell herrscht erneut Aufbruchsstimmung unter den Anbietern. Neue Fabriken entstehen. Durch Übernahmen wie im Fall von II-IV Inc. und Finisar, von TRUMPF und Philips Photonics oder die aktuell laufenden Bemühungen von AMS Technologies zur Übernahme von Osram bilden sich schlagkräftige Einheiten. Denn die VCSEL-Technologie schickt sich an, weitere Massenmärkte zu erobern.

Seit Apple 2017 erste iPhones mit VCSEL-basierter Gesichtserkennung und 3D-Sensorik auslieferte, hat eine neue Marktdynamik eingesetzt. Immer mehr Smartphone- und Tablet-Hersteller ziehen mit 3D-Sensorsystemen nach. Dafür benötigen sie oft drei und mehr VCSELs pro Smartphone. Zugleich tun sich breite Anwendungsfelder im Automotive-Markt auf. Über Time-of-Flight-Abstandsmessungen orientieren LiDAR-Systeme Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrzeuge im Verkehrsraum. Die Basistechnologie dafür sind Multi-Mode-VCSEL-Arrays mit hunderten oder sogar mehreren Tausend Kavitäten. Daneben gibt es weitere VCSEL-basierte Sensorsysteme im Fahrzeuginnenraum. Doch die Marktpotentiale sind auch damit noch nicht erschöpft. In der Biophotonik und Medizintechnik ebnen VCSEL den Weg zu miniaturisierten Pulsoximetern zur Sauerstoffmessung im Blut, sie dienen als Referenzlaser für FTIR Spektrometer oder als Lichtquelle für die Optische Kohärenztomografie (OCT). Und darüber hinaus tun sich Anwendungen in industriellen Fertigungsprozessen auf. Das liegt daran, dass die Leistungen von VCSEL-Arrays in den mittleren zweistelligen Wattbereich vorstoßen – und Marktbeobachter perspektivisch auch Kilowattleistungen für möglich halten. Hinzu kommt, dass die Strahlform der vertikalen Emitter die hocheffiziente Einkopplung in Fasern ermöglicht. Und so wird es immer wahrscheinlicher, dass zu ersten VCSEL-Anwendungen in Wärmebehandlungsprozessen, etwa im Zukunftsmarkt Additive Manufacturing in Zukunft auch industrielle Schneid-, Füge-, Strukturierungs- und Oberflächenbehandlungsprozesse hinzukommen.

Günstige Herstellung – Vorteile beim Packaging

Doch was macht die oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Resonatoranordnung so attraktiv? Ein Grund liegt in der vergleichsweise einfachen Herstellung. Schon auf einen Wafer mit zwei Zoll (5,08 cm) Durchmesser passen bis zu 20.000 VCSELs. Dass sich ihre Sandwichstruktur komplett auf dem Wafer aufbauen lässt, und die Laser ihr senkrecht Licht nach oben emittieren, erleichtert zudem auch die Qualitätsprüfung. Sie erfolgt vollautomatisch mit Standardverfahren und –ausrüstungen für integrierte Schaltkreise. Der schichtweise Aufbau hat einen weiteren Vorteil: die beiden Laserspiegel, es kommen Bragg–Reflektoren mit verteilter Rückkopplung (DBR – Distributed Bragg Reflector) zum Einsatz, lassen sich einfach unter und über der aktiven Halbleiterschicht aufbringen. Dagegen ist es bei kantenemittierenden Laserdioden notwendig, die Wafer vor dem Aufbringen der Spiegelschichten zunächst zu zerteilen. Zum geringeren Fertigungsaufwand gesellen sich niedriger Energieverbrauch, hohe Wirkungsgrade sowie der erwähnte Vorteil des ausgesprochen symmetrischen Lichtstrahls, der eine effiziente Faser-Einkopplung gewährleistet.

Mittlerweile fächert sich auch das Wellenlängen- und Leistungsspektrum der Vertikalemitter immer weiter auf. Es reicht mittlerweile vom Nahinfrarotbereich bei 2.300 Nanometer bis in den gerade noch sichtbaren violetten Bereich um 380 Nanometer. Wobei Forscherteams bereits an VCSELs für den UV-Bereich arbeiten. Daneben reichen die Leistungen im gepulsten Betrieb heute bis in den mittleren zweistelligen und bei VCSEL-Array-Modulen sogar in den dreistelligen Wattbereich. Ein Spezialfall sind industrielle Heizmodule auf VCSEL-Basis. Ihre Leistungen reichen nah an den zweistelligen Kilowattbereich. Aufgebaut aus tausenden synchronisierten Mikro-Diodenlasern, die Licht im nahen Infrarotbereich emittieren, sorgen die laserbasierte Heizmodule dank Leistungsdichten von über 100 W/cm² und des gut steuerbaren Wärmeeintrags für zügige Prozesse in der Wärmebehandlung und für Präzision bei der großflächigen Verarbeitung von Kunststoffen.

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