वर्टिकल-कैविटी सरफेस-एमिटिंग लेजर

वर्टिकल-कैविटी सरफेस-एमिटिंग लेजर, या वीसीएसईएल, शीर्ष सतह से लेजर बीम उत्सर्जन लंबवत के साथ अर्धचालक [[लेज़र डायोड]] का एक प्रकार है, पारंपरिक किनारे-उत्सर्जक अर्धचालक लेजर (भी-प्लेन लेजर भी) के विपरीत, जो एक वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) से अलग-अलग चिप को क्लीविंग द्वारा गठित सतहों से उत्सर्जित करता है।।VCSels का उपयोग विभिन्न लेजर उत्पादों में किया जाता है, जिसमें कंप्यूटर चूहों, फाइबर ऑप्टिक संचार, लेजर प्रिंटर, फेस आईडी सम्मलित हैं, और स्मार्टग्लास।

उत्पादन लाभ
एज-एमिटिंग लेज़रों की उत्पादन प्रक्रिया के विपरीत, VCSEL का उत्पादन करने के कई फायदे हैं।उत्पादन प्रक्रिया के अंत तक एज-इमिटर्स का परीक्षण नहीं किया जा सकता है।यदि एज-एमिटर ठीक से काम नहीं करता है, चाहे खराब संपर्कों या खराब सामग्री वृद्धि की गुणवत्ता के कारण, उत्पादन समय और प्रसंस्करण सामग्री बर्बाद हो गई है।VCSELS चूंकि, सामग्री की गुणवत्ता और प्रसंस्करण मुद्दों की जांच करने के लिए प्रक्रिया के समय कई चरणों में परीक्षण किया जा सकता है।उदाहरण के लिए, यदि वाया (इलेक्ट्रॉनिक्स), एक सर्किट की परतों के बीच विद्युत कनेक्शन, ईटीच के समय ढांकता हुआ सामग्री से पूरी प्रकार से साफ नहीं किया गया है, तो एक अंतरिम परीक्षण प्रक्रिया को ध्वजांकित करेगा कि शीर्ष धातु की परत प्रारंभिक धातु से संपर्क नहीं बना रही हैपरत।इसके अतिरिक्त, क्योंकि VCSels लेजर के सक्रिय क्षेत्र के लिए बीम लंबवत का उत्सर्जन करते हैं, क्योंकि एक एज एमिटर के साथ समानांतर के विपरीत, दसियों हज़ार वीसीएसईएल को एक साथ तीन इंच के गैलियम आर्सेनाइड वेफर पर संसाधित किया जा सकता है।इसके अतिरिक्त, के होने पर भी VCSEL उत्पादन प्रक्रिया अधिक श्रम और सामग्री गहन है, किन्तु  उपज को अधिक पूर्वानुमानित परिणाम के लिए नियंत्रित किया जा सकता है।

संरचना
लेजर रेज़ोनेटर में दो वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर (डीबीआर) दर्पण होते हैं जो वेफर सतह के समानांतर एक सक्रिय लेजर माध्यम के साथ होते हैं, जिसमें बीच में लेजर लाइट पीढ़ी के लिए एक या अधिक क्वांटम कुओं से मिलकर होता है।प्लानर डीबीआर-मिरर्स में उच्च और कम अपवर्तक सूचकांकों के साथ परतें होती हैं।प्रत्येक परत में सामग्री में लेजर तरंग दैर्ध्य के एक चौथाई की मोटाई होती है, 99%से ऊपर की तीव्रता परावर्तन की उपज होती है।लाभ क्षेत्र की छोटी अक्षीय लंबाई को संतुलित करने के लिए वीसीएसईएल में उच्च परावर्तन दर्पण की आवश्यकता होती है।

सामान्य vcsels में ऊपरी और निचले दर्पणों को एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर#पी-टाइप सेमीकंडक्टर्स के रूप में डोप किया जाता है। पी-टाइप और एक्स्ट्रिंसिक सेमीकंडक्टर#एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स | एन-टाइप सामग्री, एक डायोड जंक्शन का गठन।अधिक जटिल संरचनाओं में, पी-प्रकार और एन-प्रकार के क्षेत्रों को दर्पणों के बीच एम्बेड किया जा सकता है, सक्रिय क्षेत्र से विद्युत संपर्क बनाने के लिए एक अधिक जटिल अर्धचालक प्रक्रिया की आवश्यकता होती है, किन्तु डीबीआर संरचना में विद्युत शक्ति हानि को समाप्त कर दिया जाता है।

नई सामग्री प्रणालियों का उपयोग करके vcsels की प्रयोगशाला जांच में, सक्रिय क्षेत्र को एक बाहरी प्रकाश स्रोत द्वारा एक छोटे तरंग दैर्ध्य के साथ पंप किया जा सकता है, आमतौर पर एक और लेजर।यह एक VCSEL को अच्छे विद्युत प्रदर्शन को प्राप्त करने की अतिरिक्त समस्या के बिना प्रदर्शित करने की अनुमति देता है;चूंकि ऐसे उपकरण अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक नहीं हैं।

650 &  NM से 1300 &   NM से तरंग दैर्ध्य के लिए VCSELs आमतौर पर GAAS और एल्यूमीनियम गैलियम आर्सेनाइड से गठित DBR के साथ गैलियम आर्सेनाइड (GAAS) वेफर्स पर आधारित होते हैं (ALxगा(1-x)जैसा)।GAAS-ALGAAS प्रणाली VCSEL के निर्माण के लिए इष्ट है क्योंकि सामग्री की जाली स्थिरांक दृढ़ता से भिन्न नहीं होती है क्योंकि रचना को बदल दिया जाता है, कई जाली-मिलान वाले उपकला परतों को GAAS सब्सट्रेट पर उगाने की अनुमति देता है।चूंकि, अल्गा का अपवर्तक सूचकांक अपेक्षाकृत दृढ़ता से भिन्न होता है क्योंकि अल अंश बढ़ जाता है, अन्य उम्मीदवार सामग्री प्रणालियों की तुलना में एक कुशल ब्रैग मिरर बनाने के लिए आवश्यक परतों की संख्या को कम करता है।इसके अतिरिक्त, उच्च एल्यूमीनियम सांद्रता में, एक ऑक्साइड का गठन अल्गास से किया जा सकता है, और इस ऑक्साइड का उपयोग वीसीएसईएल में करंट को प्रतिबंधित करने के लिए किया जा सकता है, जिससे बहुत कम दहलीज धाराएं सक्षम होती हैं।

एक VCSEL में वर्तमान को प्रतिबंधित करने के मुख्य तरीकों को दो प्रकारों की विशेषता है: आयन-प्रत्यारोपित vcsels और ऑक्साइड vcsels।

1990 के दशक की शुरुआत में, दूरसंचार कंपनियों ने आयन-प्रत्यारोपित वीसीएसईएल के पक्ष में किया।आयनों, (अधिकांशतः हाइड्रोजन आयनों, एच+) को वीसीएसईएल के एपर्चर को छोड़कर, हर जगह वीसीएसईएल संरचना में प्रत्यारोपित किया गया था, जो एपर्चर के चारों ओर जाली संरचना को नष्ट कर देता है, इस प्रकार वर्तमान को रोकता है।1990 के दशक के उत्तरार्ध में, कंपनियां ऑक्साइड vcsels की तकनीक की ओर बढ़ गईं।करंट VCSEL के एपर्चर के चारों ओर सामग्री को ऑक्सीकरण करके एक ऑक्साइड VCSEL में सीमित है।एक उच्च सामग्री एल्यूमीनियम परत जो VCSEL संरचना के भीतर उगाई जाती है, वह परत है जो ऑक्सीकृत होती है।ऑक्साइड vcsels भी अधिकांशतः  आयन प्रत्यारोपण उत्पादन कदम को नियोजित करते हैं।परिणाम स्वरुप, ऑक्साइड VCSEL में, वर्तमान पथ आयन इम्प्लांट और ऑक्साइड एपर्चर द्वारा सीमित है।

ऑक्साइड vcsels की प्रारंभिक स्वीकृति ऑक्सीकरण परत के तनाव और दोषों के कारण पॉपिंग बंद होने के बारे में चिंता से ग्रस्त थी।चूंकि, बहुत अधिक परीक्षण के बाद, संरचना की विश्वसनीयता मजबूत सिद्ध हुई है।जैसा कि ऑक्साइड VCSels पर हेवलेट पैकर्ड द्वारा एक अध्ययन में कहा गया है, तनाव के परिणाम बताते हैं कि सक्रियण ऊर्जा और ऑक्साइड VCSEL के पहनने के जीवनकाल में इम्प्लांट VCSEL के समान हैं जो आउटपुट पावर की समान मात्रा का उत्सर्जन करते हैं। एक उत्पादन चिंता ने भी अनुसंधान और विकास से उत्पादन मोड तक ऑक्साइड vcsels को स्थानांतरित करते समय उद्योग को परेशान किया।ऑक्साइड परत की ऑक्सीकरण दर एल्यूमीनियम सामग्री पर अत्यधिक निर्भर थी।एल्यूमीनियम में कोई भी मामूली भिन्नता ऑक्सीकरण दर को बदल देती है, जिसके परिणामस्वरूप कभी -कभी ऐसे एपर्चर होते हैं जो विनिर्देश मानकों को पूरा करने के लिए बहुत बड़े या बहुत छोटे थे।

लंबे समय तक तरंग दैर्ध्य उपकरण, 1300 &  nm से 2000 &   nm, को कम से कम भोला फॉस्फाइड से बने सक्रिय क्षेत्र के साथ प्रदर्शित किया गया है।उच्च तरंग दैर्ध्य पर vcsels प्रयोगात्मक होते हैं और आमतौर पर वैकल्पिक रूप से पंप होते हैं।1310 &   NM VCSels वांछनीय हैं क्योंकि सिलिका-आधारित प्रकाशित तंतु का फैलाव इस तरंग दैर्ध्य रेंज में न्यूनतम है।

विशेष रूप
, कई सक्रिय क्षेत्र उपकरण (उर्फ द्विध्रुवी कैस्केड VCSELS): वाहक रीसाइक्लिंग के माध्यम से 100% से अधिक अंतर क्वांटम दक्षता मानों के लिए अनुमति देता है


 * सुरंग जंक्शनों के साथ vcsels: एक सुरंग जंक्शन का उपयोग करना (n)+ पी+), एक विद्युत रूप से लाभप्रद एन-एन-एन+ पी+ -p-i-n कॉन्फ़िगरेशन का निर्माण किया जा सकता है जो अन्य संरचनात्मक तत्वों (जैसे कि दफन टनल जंक्शन (BTJ) के रूप में) को भी प्रभावित कर सकता है।


 * माइक्रोमैकेनिक रूप से जंगम दर्पण (माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिक सिस्टम) के साथ ट्यून करने योग्य vcsels: (या तो वैकल्पिक रूप से या विद्युत रूप से पंप किया गया )


 * वेफर-बॉन्ड या वेफर-फ्यूज्ड वीसीएसईएल: सेमीकंडक्टर सामग्री का संयोजन जिसे विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट वेफर्स का उपयोग करके गढ़ा जा सकता है
 * मोनोलिथिक रूप से वैकल्पिक रूप से पंप किए गए vcsels: एक दूसरे के ऊपर दो vcsels।उनमें से एक वैकल्पिक रूप से दूसरे को पंप करता है।


 * अनुदैर्ध्य रूप से एकीकृत मॉनिटर डायोड के साथ VCSEL: एक फोटोडायोड को VCSEL के पीछे के दर्पण के अनुसार एकीकृत किया गया है।ट्रांसवर्सली इंटीग्रेटेड मॉनिटर डायोड के साथ VCSEL: VCSEL के वेफर के उपयुक्त नक़्क़ाशी के साथ, एक गुंजयमान फोटोडायोड का निर्माण किया जा सकता है जो निकटतम VCSEL की प्रकाश तीव्रता को माप सकता है।


 * बाहरी गुहाओं (Vecsels) के साथ vcsels: vecsels को पारंपरिक लेजर डायोड के साथ वैकल्पिक रूप से पंप किया जाता है।यह व्यवस्था डिवाइस के एक बड़े क्षेत्र को पंप करने की अनुमति देती है और इसलिए अधिक शक्ति को निकाला जा सकता है - जितना कि 30W।बाहरी गुहा आवृत्ति दोहरीकरण, एकल आवृत्ति संचालन और फेमटोसेकंड पल्स मॉडलॉकिंग जैसी इंट्राकैविटी तकनीकों की भी अनुमति देता है।


 * वर्टिकल-कैविटी सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायरों: ऑप्टिकल एम्पलीफायर#वर्टिकल-कैविटी एसओए को ऑसिलेटर्स के विपरीत एम्पलीफायरों के रूप में अनुकूलित किया जाता है।VCSOA को थ्रेसहोल्ड के नीचे संचालित किया जाना चाहिए और इस प्रकार कम प्रतिक्रिया के लिए कम दर्पण परावर्तन की आवश्यकता होती है।सिग्नल लाभ को अधिकतम करने के लिए, इन उपकरणों में बड़ी संख्या में क्वांटम कुओं (वैकल्पिक रूप से पंप किए गए उपकरणों को 21-28 कुओं के साथ प्रदर्शित किया गया है) और परिणामस्वरूप एकल-पास लाभ मूल्यों को प्रदर्शित करता है जो एक विशिष्ट वीसीएसईएल की तुलना में अधिक बड़े हैं।(लगभग 5%)।ये संरचनाएं संकीर्ण लाइनविड्थ (दसियों गीगाहर्ट्ज) एम्पलीफायरों के रूप में संचालित होती हैं और इसे एम्पलीफाइंग फिल्टर के रूप में लागू किया जा सकता है।

विशेषताएँ
क्योंकि VCSels चिप की शीर्ष सतह से उत्सर्जित करते हैं, इसलिए उन्हें व्यक्तिगत उपकरणों में क्लीव किए जाने से पहले, वे-वेफर पर परीक्षण किया जा सकता है।यह उपकरणों के अर्धचालक निर्माण लागत को कम करता है।यह vcsels को न केवल एक-आयामी में, बल्कि दो-आयामी सरणियों में भी बनाने की अनुमति देता है।

अधिकांश एज-एमिटिंग लेज़रों की तुलना में VCSels का बड़ा आउटपुट एपर्चर, आउटपुट बीम के कम विचलन कोण का उत्पादन करता है, और ऑप्टिकल फाइबर के साथ संभव उच्च युग्मन दक्षता बनाता है।

एज-एमिटिंग लेज़रों की तुलना में छोटा सक्रिय क्षेत्र, VCSEL की दहलीज धारा को कम करता है, जिसके परिणामस्वरूप कम बिजली की खपत होती है।चूंकि, अभी तक, VCSELs में एज-एमिटिंग लेज़रों की तुलना में कम उत्सर्जन शक्ति है।कम दहलीज वर्तमान भी VCSEL में उच्च आंतरिक मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ की अनुमति देता है। Vcsels की तरंग दैर्ध्य को सक्रिय क्षेत्र के लाभ बैंड के भीतर, परावर्तक परतों की मोटाई को समायोजित करके ट्यून किया जा सकता है।

जबकि शुरुआती वीसीएसईएल कई अनुदैर्ध्य मोड में या फिलामेंट मोड में उत्सर्जित होते हैं, एकल-मोड वीसीएसईएल अब आम हैं।

हाई-पावर VCSELS
उच्च-शक्ति वर्टिकल-कैविटी सतह-उत्सर्जक लेज़रों को भी गढ़ा जा सकता है, या तो एक ही डिवाइस के उत्सर्जक एपर्चर आकार को बढ़ाकर या कई तत्वों को बड़े दो-आयामी (2 डी) सरणियों में मिलाकर।उच्च शक्ति वाले VCSEL पर अपेक्षाकृत कम रिपोर्ट किए गए अध्ययन हुए हैं।लगभग 100 &  MW के लगभग बड़े-एपर्चर सिंगल डिवाइसों को पहली बार 1993 में रिपोर्ट किया गया था। एपिटैक्सियल ग्रोथ, प्रोसेसिंग, डिवाइस डिज़ाइन और पैकेजिंग में सुधार ने 1998 तक कई सैकड़ों मिलिवाटों का उत्सर्जन करते हुए व्यक्तिगत बड़े-एपर्चर वीसीएसईएल का नेतृत्व किया। 2 &   w से अधिक निरंतर-लहर (CW) ऑपरेशन -10 डिग्री सेल्सियस हीट-सिंक तापमान पर भी 1998 में 1,000 तत्वों से मिलकर एक VCSEL सरणी से भी रिपोर्ट किया गया था, जो 30 &   w/cm के बिजली घनत्व के अनुरूप है।2। 2001 में, 1 &   w cw पावर और 10 &   w कमरे के तापमान पर स्पंदित शक्ति 19-तत्व सरणी से बताई गई थी। VCSEL Array Chip को हीरा हीट स्प्रेडर पर रखा गया था, जो हीरे की बहुत उच्च तापीय चालकता का लाभ उठा रहा था।एक रिकॉर्ड 3 &   डब्ल्यू सीडब्ल्यू आउटपुट पावर 2005 में बड़े व्यास एकल उपकरणों से रिपोर्ट किया गया था, जो 980 &   nm के आसपास उत्सर्जित था। 2007 में, CW आउटपुट पावर के 200 &  w से अधिक एक बड़े (5 &   × &   5 मिमी) 2 डी VCSEL सरणी से 976 &   एनएम तरंग दैर्ध्य के आसपास उत्सर्जित किया गया था; उच्च शक्ति वाले VCSELS के क्षेत्र में पर्याप्त सफलता का प्रतिनिधित्व करना।प्राप्त उच्च शक्ति स्तर अधिकतर  दीवार-प्लग दक्षता और पैकेजिंग में सुधार के कारण था।2009 में,> 100 &   w बिजली का स्तर VCSEL सरणियों के लिए 808 &   nm के आसपास उत्सर्जित किया गया था। उस समय, VCSEL तकनीक विभिन्न प्रकार के चिकित्सा, औद्योगिक और सैन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो गई, जिसमें उच्च शक्ति या उच्च ऊर्जा की आवश्यकता थी।ऐसे अनुप्रयोगों के उदाहरण हैं:
 * मेडिकल/कॉस्मेटिक्स: लेज़र से बाल हटाना, लेजर रिंकल रिमूवल
 * सैन्य/निगरानी के लिए इन्फ्रारेड इल्युमिनेटर्स
 * ठोस-राज्य लेजर और फाइबर लेजर का पंपिंग
 * उच्च-शक्ति/उच्च-ऊर्जा दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी (नीला/हरी बत्ती)
 * लेजर मशीनिंग: लेजर द्वारा काटना, लेजर ड्रिलिंग, लेजर पृथक, लेजर उत्कीर्णन

अनुप्रयोग

 * ऑप्टिकल फाइबर डेटा ट्रांसमिशन
 * एनालॉग ब्रॉडबैंड सिग्नल ट्रांसमिशन
 * अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (टीडीएलएएस)
 * लेजर प्रिंटर
 * कम्प्यूटर का माउस
 * जैविक ऊतक विश्लेषण
 * चिप स्केल परमाणु घड़ी
 * सेलफोन कैमरों के लिए लिडार
 * संरचित प्रकाश (जैसे iPhone X के लिए "डॉट प्रोजेक्टर")
 * ऑटोमोबाइल टकराव से बचाव के लिए लिडार

इतिहास
अल्ट्रा-लो तापमान और चुंबकीय वाहक कारावास में एक थोक अर्धचालक से सतह उत्सर्जन 1965 में इवर्स मेलेंगेलिस द्वारा रिपोर्ट किया गया था।  शॉर्ट ऑप्टिकल गुहा वीसीएसईएल का पहला प्रस्ताव 1977 में टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के केनिची इगा द्वारा किया गया था। उनके विचार का एक सरल ड्राइंग उनके शोध नोट में दिखाया गया है।पारंपरिक फैब्री-पेरोट एज-एमिटिंग सेमीकंडक्टर लेज़रों के विपरीत, उनके आविष्कार में एज-एमिटिंग लेज़रों के 1/10 से कम एक छोटी लेजर गुहा सम्मलित है जो एक वेफर सतह पर ऊर्ध्वाधर है।1979 में एक छोटे गुहा में पहला प्रदर्शन सोडा, आईजीए, किताहारा और यासुहरु सुइमत्सु द्वारा किया गया था, किन्तु  कमरे के तापमान पर निरंतर लहर संचालन के लिए उपकरणों को 1988 तक रिपोर्ट नहीं किया गया था। VCSEL शब्द को 1987 में ऑप्टिकल सोसाइटी ऑफ अमेरिका के प्रकाशन में गढ़ा गया था। 1989 में, जैक ज्वेल ने एक बेल लैब्स / बेलकोर सहयोग (एक्सल शियरर (प्रोफेसर), सैम मैककॉल, योंग ही ली और जेम्स हार्बिसन सहित) का नेतृत्व किया, जिसने एक छोटी चिप पर 1 मिलियन से अधिक वीसीएसईएल का प्रदर्शन किया।  इन पहले ऑल-सेमीकंडक्टर VCSELS ने सभी व्यावसायिक VCSEL में अभी भी उपयोग की जाने वाली अन्य डिज़ाइन सुविधाओं को प्रस्तुत किया।इस प्रदर्शन ने सतह-उत्सर्जक लेजर के विकास में एक महत्वपूर्ण मोड़ को चिह्नित किया।कई और शोध समूहों ने क्षेत्र में प्रवेश किया, और कई महत्वपूर्ण नवाचारों को जल्द ही दुनिया भर से रिपोर्ट किया जा रहा था। डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (DARPA) के एंड्रयू यांग ने जल्दी से VCSEL R & D की ओर महत्वपूर्ण फंडिंग प्रारंभ  की, इसके बाद अन्य सरकार और औद्योगिक फंडिंग प्रयास किए गए।  VCSELS ने गीगाबिट ईथरनेट और फाइबर चैनल जैसे शॉर्ट-रेंज फाइबरोप्टिक संचार के लिए अनुप्रयोगों में एज-एमिटिंग लेज़रों को बदल दिया, और अब 1 &    से लिंक बैंडविड्थ्स के लिए उपयोग किया जाता है; gigabit/sec to> &   400 &   gigabit/sec।

यह भी देखें

 * ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट
 * इंटरकनेक्ट अड़चन
 * ऑप्टिकल फाइबर केबल
 * ऑप्टिकल संचार
 * समानांतर ऑप्टिकल इंटरफ़ेस
 * ऑप्टिकल गुहा
 * ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी

बाहरी कड़ियाँ

 * Long Wavelength Surface Emitting Lasers: Introduction
 * Britney's Guide to Semiconductor Physics: VCSELs