Was ist ein VCSEL-Array?
Ein VCSEL-Array eine monolithische (lineare oder zweidimensionale) Anordnung von vertikalen Oberflächenemitterlasern (VCSELs). Jeder VCSEL sendet einen kreisförmigen Strahl aus und kann direkt mit hoher Geschwindigkeit moduliert werden. Dadurch eignen sich diese Bauelemente ideal sowohl für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über kurze Entfernungen als auch für die optische Sensorik.
Ein VCSEL-Array eine Technologie, die in verschiedenen Bereichen der Photonik zum Einsatz kommt – vor allem in Sensor- und Kommunikationsanwendungen und häufig in großen Stückzahlen. Es besteht aus mehreren VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers), die in einem ein- oder zweidimensionalen Raster oder Muster auf einem Halbleiter oder Chip angeordnet sind.
VCSELs sind eine Art vonDiode , die Licht senkrecht von der Oberseite des Chips ausstrahlen, im Gegensatz zu Kantenemitterlasern, die Licht von der Seitenfläche ausstrahlen – siehe Abbildung 1. Der Laserbetrieb wird durch eine sorgfältige Formgebung der Elektrode ermöglicht, umAbsorption Laserlichts zu vermeiden.
Der VCSEL hat gegenüber randemittierenden Bauelementen zwei Vorteile, die ihn in vielen Anwendungsbereichen zur besseren Wahl machen.
Abbildung 1. Ein VCSEL erzeugt einen symmetrischen, runden Strahl, der sich viel leichter handhaben und nutzen lässt als der elliptische Strahl eines kantenemittierenden Bauelements.
Optische Eigenschaften:Kantenemitter erzeugen einen elliptischen Strahl, der zudem stark divergiert und häufig astigmatisch ist. Daher erfordert ihre Integration oft komplexere Strahlformungsoptiken. Bei einem VCSEL hingegen ist der Ausgangsstrahl symmetrisch, kreisförmig und deutlich weniger divergent. Dadurch lässt sich der VCSEL-Ausgangsstrahl wesentlich leichter auf einen Punkt fokussieren oder in eine optische Faser einkoppeln, was die Kosten und die Komplexität der Systeme verringert.
Elektronische Eigenschaften: Alle Diode lassen sich durch Umschalten ihres Ansteuerstroms direkt modulieren. Doch während Kantenemitter in Kommunikationsanwendungen weit verbreitet sind, erfordert die schnellste Übertragung oft die zusätzliche Integration eines externen (z. B. Mach-Zehnder-)Modulators. Im Gegensatz dazu lassen sich VCSELs aufgrund ihres kurzen Resonators und bestimmter anderer Merkmale ihrer Architektur für eine wesentlich schnellere Direktmodulation optimieren als typische Kantenemitter – siehe Abbildung 2. Auch dies reduziert die Gesamtkomplexität und die Kosten.
Abbildung 2. Der kurze Resonator eines VCSEL trägt zu dessen extrem schnellen Ein-/Aus-Modulationsgeschwindigkeiten bei, was für Datenkommunikationsanwendungen von Vorteil ist.
VCSEL-Arrays bestehen aus mehreren einzelnen VCSELs, die in Reihen und Spalten angeordnet sind. Eine solche Architektur bietet zwei Vorteile: höhere Leistung und Mehrkanalbetrieb. Während die optische Leistung von Edge-Emittern durch eine Verlängerung des Resonators skaliert werden kann, ist dies bei VCSELs nicht möglich, bei denen die Leistung durch eine Erhöhung der Anzahl der Emitter gesteigert wird. Dies ist besonders nützlich in Sensorik-Anwendungen, in denen eine hohe optische Ausgangsleistung erforderlich ist, wie beispielsweise bei Time-of-Flight- oder Strukturlichtkameras.
Die einzelnen Emitter in einigen VCSEL-Arrays können unabhängig voneinander betrieben werden. Dies ermöglicht eine erhebliche Flexibilität bei der Formung und Ausrichtung des emittierten Lichts. Außerdem bietet dies eine Datenübertragungsquelle für den Mehrkanalbetrieb, jedoch mit der geringen Größe, dem hohen Wirkungsgrad und der einfachen Gehäuseausführung, wie sie nur bei einem monolithischen Chip zu finden sind.
Was ihre Verwendung angeht, so kommen VCSEL-Arrays häufig in einer Reihe von Anwendungen der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation zum Einsatz, beispielsweise in optischen Verbindungen in Rechenzentren und Hochgeschwindigkeitsnetzwerken. Dank ihrer Fähigkeit, Licht schnell zu modulieren, können sie Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten übertragen. Aufgrund ihrer geringen Leistung pro Kanal eignen sie sich besser für Anwendungen mit kurzen Reichweiten – bis zu einigen hundert Metern – als für Fernverbindungen. Diese Kombination macht VCSEL-Arrays besonders gut geeignet für optische Verbindungen in den hyperskalierten Rechenzentren, die heute benötigt werden, um das dramatische Wachstum bei der Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) zu unterstützen.
Abbildung 3. VCELs und VCSEL-Arrays finden in autonomen Fahrzeugen breite Anwendung für Lidar-basierte Sensorik.
Wie bereits erwähnt, eignen sich VCSELs und VCSEL-Arrays auch hervorragend für eine Reihe von optischen Sensor- und Bildgebungsanwendungen. Dazu gehören Gesichtserkennungssysteme für Mobiltelefone, PCs oder automatische Türschlösser. Eine wichtige Anwendung mit hohem Volumen 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, für die Spurverfolgung, die Erkennung von Verkehrsnähe und das automatisierte Parken.
VCSEL-Arrays finden zudem in verschiedenen Bereichen der Industrie- und Unterhaltungselektronik Anwendung. Zu den herausragenden Beispielen zählen Laserdrucker, optische Mäuse und Gestenerkennungssysteme.
In den Bereichen Biomedizin und Gesundheitswesen: VCSEL-Arrays haben sich bereits in medizinischen Geräten für Anwendungen wie die Blutsauerstoffmessung bewährt. Dank ihrer kompakten Bauweise und ihrer vorteilhaften Strahlcharakteristik lassen sie sich sehr einfach intragbare Geräteintegrieren, bei denen der Platz ein wesentlicher Faktor ist.
Sensorik und Messtechnik: VCSEL-Arrays kommen auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen in der industriellen und gewerblichen Sensorik und Messtechnik zum Einsatz. Dazu gehören Anwendungen zur Prozesssteuerung 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, was sie zu einer entscheidenden Komponente in zahlreichen optischen und photonischen Technologien macht. Ihre kontinuierliche Weiterentwicklung hat zu einer verbesserten Leistung und zu erweiterten Anwendungsmöglichkeiten in einer Vielzahl von Bereichen geführt.