Was ist ein VCSEL-Array?
Ein VCSEL-Array ist eine monolithische (lineare oder zweidimensionale) Anordnung vertikaler Oberflächenemitterlaser (VCSEL). Jeder VCSEL gibt einen kreisförmigen Strahl ab und lässt sich mit hoher Geschwindigkeit direkt modulieren. Daher eignet sich diese Bauform sowohl für die schnelle Nahbereichsdatenübertragung als auch für die optische Sensorik.
VCSEL-Arrays, eine Abkürzung für „Vertical Cavity Surface-Emitting Laser Arrays“ (Arrays vertikaler Oberflächenemitter-Laser), sind eine Technologie, die in verschiedenen Bereichen der Photonik zum Einsatz kommt und vor allem in Sensor- und Kommunikationsanwendungen häufig in großen Stückzahlen verwendet wird. Sie bestehen aus mehreren VCSELs (Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers), die in Form eines ein- oder zweidimensionalen Gitters oder Musters auf einem Halbleitersubstrat oder Chip angeordnet sind.
Im Gegensatz zu Kantenemissionslasern, die Licht an der Seitenfläche abgeben, ist der VCSEL eine Art Halbleiterdiodenlaser, der Licht senkrecht von der Oberseite des Chips abgibt (siehe Abbildung 1). Um eine Abschirmung oder Absorption des Laserlichts zu vermeiden, müssen die Elektroden sorgfältig ausgebildet werden, damit der Laser betrieben werden kann.
VCSELs bieten gegenüber Kantenemissionsbauelementen zwei Vorteile und können daher in vielen Anwendungsbereichen die bessere Wahl sein.
Abbildung 1. VCSEL erzeugen einen symmetrischen kreisförmigen Strahl, der wesentlich einfacher zu handhaben und einzusetzen ist als der elliptische Strahl von Kantenemittern.
Optische Kanten emitter erzeugen einen elliptischen Strahl, der häufig stark divergiert und mit sphärischen Aberrationen behaftet ist. Daher sind für ihre Integration oft komplexere Strahlformungsoptiken erforderlich. VCSELs hingegen erzeugen einen symmetrischen, kreisförmigen Ausgangsstrahl mit deutlich geringerer Divergenz. Dadurch lässt sich der VCSEL-Ausgangsstrahl wesentlich einfacher auf einen Punkt fokussieren oder in eine Glasfaser einkoppeln, was die Kosten und die Komplexität des Systems verringert.
Elektrische Eigenschaften. Alle Diodenlaser lassen sich durch Änderung des Ansteuerstroms direkt modulieren. Edge-Emission-Bauelemente werden im Telekommunikationsbereich häufig eingesetzt, erfordern jedoch für die ultraschnelle Übertragung oft die zusätzliche Integration externer Modulatoren (z. B. Mach-Zehnder-Modulatoren). Im Gegensatz dazu lassen sich VCSELs aufgrund ihres kurzen Resonators und anderer spezifischer Aspekte ihrer Architektur für eine direkte Modulation optimieren, die wesentlich schneller ist als bei herkömmlichen Edge-Emission-Bauelementen (siehe Abbildung 2). Dadurch werden die Gesamtkomplexität und die Kosten reduziert.
Abbildung 2. Der kurze Resonator des VCSEL trägt zu extrem schnellen Ein-/Aus-Modulationsraten bei, was für den Bereich der Datenkommunikation von Vorteil ist.
Ein VCSEL-Arraybesteht aus mehreren einzelnen VCSELs, die in Reihen und Spalten angeordnet sind. Diese Architektur bietet zwei Vorteile: eine höhere Leistung und den Mehrkanalbetrieb. Die optische Leistung von Edge-Emissions-Bauelementen lässt sich durch Verlängerung der Resonatorlänge steigern, was bei VCSELs, bei denen die Leistung durch Erhöhung der Anzahl der Emissionsbauelemente gesteigert wird, nicht möglich ist. Dies ist besonders nützlich in Sensoranwendungen, die eine beträchtliche optische Ausgangsleistung erfordern, wie beispielsweise ToF- oder Structured-Light-Kameras.
Einzelne Emitter in manchen VCSEL-Arrays können unabhängig voneinander betrieben werden. Dadurch lässt sich eine erhebliche Flexibilität hinsichtlich der Form und Ausrichtung des emittierten Lichts erzielen. Zudem dienen sie als Datenübertragungsquelle für Mehrkanalanwendungen, bieten jedoch gleichzeitig die geringen Abmessungen, den hohen Wirkungsgrad und die einfache Gehäuseform, wie sie sonst nur bei monolithischen Chips zu finden sind.
In der Praxis sind VCSEL-Arrays in verschiedenen Bereichen der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation weit verbreitet, beispielsweise bei der optischen Vernetzung in Rechenzentren und Hochgeschwindigkeitsnetzwerken. Da sich das Licht schnell modulieren lässt, können Daten mit extrem hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Aufgrund der geringen Leistung pro Kanal eignen sie sich eher für kurze Entfernungen (bis zu 100 Meter) als für Systeme mit großen Entfernungen. Diese Kombination zeigt, dass VCSEL-Arrays besonders gut für die optische Vernetzung in Hyperscale-Rechenzentren geeignet sind, die den derzeitigen rasanten Anstieg der Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) unterstützen.
Abbildung 3. VCEL- und VCSEL-Arrays finden breite Anwendung in autonomen Fahrzeugen, einem Bereich der LIDAR-basierten Sensorik.
Wie bereits erwähnt, eignen sich VCSELs und VCSEL-Arrays auch für verschiedene Bereiche der optischen Sensorik und Bildgebung. Dazu gehören Gesichtserkennungssysteme für Mobiltelefone, PCs und automatische Türschlösser. Ein wichtiger Anwendungsbereich, in dem sie in großem Umfang zum Einsatz kommen, sind LIDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) für ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) (siehe Abbildung 3). Diese Funktionen, die strukturierte und konsistente Lichtmuster aussenden, sind nützlich für die Tiefenerkennung und Kartierung, die Spurverfolgung, die Erkennung von Verkehrsteilnehmern in der Nähe sowie das automatische Parken.
VCSEL-Arrays finden auch in verschiedenen Industrie- und Unterhaltungselektronikprodukten Anwendung. Typische Beispiele hierfür sind Laserdrucker, optische Mäuse und Bewegungserkennungssysteme.
Biomedizin und Gesundheitswesen:VCSEL-Arrays werden bereits häufig in medizinischen Gerätenwie beispielsweise zur Messung des Blutsauerstoffgehalts eingesetzt. Dank ihrer kompakten Größe und ihrer vorteilhaften Strahlcharakteristik lassen sie sich sehr einfachin tragbare Gerätemit begrenztem Platzangebot integrieren.
Erfassung und Messung:VCSEL-Arrays kommen auch in zahlreichen anderen Bereichen der industriellen und gewerblichen Erfassung und Messung zum Einsatz. Dazu gehören Prozesssteuerungsanwendungen auf der Grundlage von Spektroskopie und/oder Gasdetektion sowie bestimmte Arten der Umweltüberwachung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass VCSEL-Arrays Vorteile wie präzise Steuerung, Skalierbarkeit und einfache Integration in verschiedene Systeme bieten und daher in zahlreichen optischen und photonischen Technologien als wichtige Komponenten zum Einsatz kommen. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung wurden ihre Leistungsfähigkeit verbessert und ihre Anwendungsbereiche erweitert.