वर्टिकल-कैविटी सरफेस-एमिटिंग लेजर

वर्टिकल-कैविटी सरफेस-एमिटिंग लेजर, या वीसीएसईएल, एक प्रकार का सेमीकंडक्टरलेज़र डायोडहै जिसमें लेजर बीम की उत्पत्ति ऊपरी सतह से लगभग लटकती हुई होती है, जो संक्षेप में अभिकलन इमिटिंग सेमीकंडक्टर लेजरों (इन-प्लेन लेजर्स) से विपरीत होता है जो चिप के वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) से अलग-अलग करने के लिए उत्पन्न सतहों से निकलते हैं। वीसीएसईएलएस कंप्यूटर माउस, फाइबर ऑप्टिक संचार, लेजर प्रिंटर, फेस आईडी सम्मलित हैं, और स्मार्टग्लास। जैसे विभिन्न लेजर उत्पादों में उपयोग किए जाते हैं।

उत्पादन लाभ
एज-एमिटिंग लेज़रों की उत्पादन प्रक्रिया के विपरीत, वीसीएसईएल 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 नुकसान हो गई है। वीसीएसईएलएस 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), सर्किट की परतों के बीच विद्युत कनेक्शन, ईटीच के समय ढांकता हुआ सामग्री से पूरी प्रकार से साफ नहीं किया गया है, तो एक अस्थायी परीक्षण प्रक्रिया को ध्वजांकित करेगा कि शीर्ष धातु की परत प्रारंभिक धातु से संपर्क नहीं बना रही है । इसके अतिरिक्त, क्योंकि वीसीएसईएलएस 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 वीसीएसईएल 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  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   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 वीसीएसईएलएस 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  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 वीसीएसईएलएस की प्रयोगशाला जांच में, सक्रिय क्षेत्र को  बाहरी प्रकाश स्रोत  के माध्यम से एक छोटे तरंग दैर्ध्य के साथ पंप किया जा सकता है, सामान्यतः एक और लेजर।यह   वीसीएसईएल 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 वीसीएसईएलएस सामान्यतः गास और एल्यूमीनियम गैलियम आर्सेनाइड से गठित डीबीआर के साथ गैलियम आर्सेनाइड (गास) वेफर्स पर आधारित होते हैं (ALxगा(1-x)जैसा)।गास-अल्गास प्रणाली वीसीएसईएल  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 गाससब्सट्रेट 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   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 सीमा धाराएं सक्षम होती हैं।

वीसीएसईएल में वर्तमान को प्रतिबंधित करने के मुख्य तरीकों को दो प्रकारों की विशेषता है: आयन-प्रत्यारोपित वीसीएसईएलएसऔर ऑक्साइड वीसीएसईएलएस।

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 वीसीएसईएल की तकनीक की ओर बढ़ गईं।करंट वीसीएसईएल के एपर्चर के चारों ओर सामग्री को ऑक्सीकरण करके   ऑक्साइड वीसीएसईएल में सीमित है।एक उच्च सामग्री एल्यूमीनियम परत जो वीसीएसईएल संरचना के भीतर उगाई जाती है, वह परत है जो ऑक्सीकृत होती है। ऑक्साइड वीसीएसईएलएस भी अधिकांशतः  आयन प्रत्यारोपण उत्पादन कदम को नियोजित करते हैं। परिणाम स्वरुप, ऑक्साइड वीसीएसईएल में, वर्तमान पथ आयन इम्प्लांट और ऑक्साइड एपर्चर  के माध्यम तक सीमित है।

ऑक्साइड वीसीएसईएलएस 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 वीसीएसईएलएस पर हेवलेट पैकर्ड  के माध्यम से   अध्ययन में कहा गया है, तनाव के परिणाम बताते हैं कि सक्रियण ऊर्जा और ऑक्साइड वीसीएसईएल के पहनने के जीवनकाल में इम्प्लांट वीसीएसईएल 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 वीसीएसईएलएस 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 वीसीएसईएलएस प्रयोगात्मक होते हैं और सामान्यतः वैकल्पिक रूप से पंप होते हैं।1310 &   NM वीसीएसईएलएस 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 वीसीएसईएलएस): वाहक रीसाइक्लिंग के माध्यम से 100% से अधिक अंतर क्वांटम दक्षता मानों के लिए अनुमति देता है


 * सुरंग जंक्शनों के साथ वीसीएसईएलएस: 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 वीसीएसईएल : (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 वीसीएसईएलएस: दूसरे के ऊपर दो वीसीएसईएलएस। उनमें से  वैकल्पिक रूप से दूसरे को पंप करता है।


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


 * बाहरी गुहाओं (वेसेल्स) के साथ वीसीएसईएलएस: वेसेल्स 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। वीसीएसओए 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  विशिष्ट वीसीएसईएल की तुलना में अधिक  बड़े हैं।(अधिकतर 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 वीसीएसईएलएस 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 वीसीएसईएलएस को न एकमात्र एक-आयामी में, बल्कि दो-आयामी सरणियों में भी बनाने की अनुमति देता है।

अधिकांश एज-एमिटिंग लेज़रों की तुलना में वीसीएसईएलएस 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, वीसीएसईएल की दहलीज धारा को कम करता है, जिसके परिणामस्वरूप कम बिजली की खपत होती है।चूंकि, अभी तक, वीसीएसईएलएस में एज-एमिटिंग लेज़रों की तुलना में कम उत्सर्जन शक्ति है।कम दहलीज वर्तमान भी वीसीएसईएलमें उच्च आंतरिक मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ की अनुमति देता है।

वीसीएसईएलएस की तरंग दैर्ध्य को सक्रिय क्षेत्र के लाभ बैंड के भीतर, परावर्तक परतों की मोटाई को समायोजित करके ट्यून किया जा सकता है।

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

हाई-पावर वीसीएसईएलएस
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 वीसीएसईएल पर अपेक्षाकृत कम रिपोर्ट किए गए अध्ययन हुए हैं।1993 में पहली बार 100 mW के आसपास संचालित होने वाले बड़े-एपर्चर वाले एकल उपकरणों की सूचना मिली थी। 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। 1998 में -10 डिग्री सेल्सियस हीट-सिंक तापमान पर 2 W से अधिक सतत-तरंग (CW) संचालन भी 30 W/cm2 की शक्ति घनत्व के अनुरूप 1,000 तत्वों से युक्त वीसीएसईएल  सरणी से रिपोर्ट किया गया था। 2001 में, 1 &   w cw पावर और 10 &   w कमरे के तापमान पर स्पंदित शक्ति 19-तत्व सरणी से बताई गई थी। वीसीएसईएल  सरणी चिप 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, 976 एनएम तरंग दैर्ध्य के आसपास उत्सर्जित  बड़े (5 × 5 मिमी) 2डी वीसीएसईएल सरणी से 200 डब्ल्यू से अधिक सीडब्ल्यू आउटपुट पावर की सूचना मिली थी जो उच्च-शक्ति वीसीएसईएल के क्षेत्र में पर्याप्त सफलता का प्रतिनिधित्व करती है। प्राप्त उच्च शक्ति स्तर ज्यादातर वॉल-प्लग दक्षता और पैकेजिंग में सुधार के कारण था। 2009 में, अधिकतर 808 एनएम उत्सर्जक वीसीएसईएल सरणियों के लिए >100 डब्ल्यू बिजली के स्तर की सूचना दी गई थी।

उस समय, वीसीएसईएल तकनीक उच्च शक्ति या उच्च ऊर्जा की आवश्यकता वाले विभिन्न प्रकार के चिकित्सा, औद्योगिक और सैन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो गई। ऐसे अनुप्रयोगों के उदाहरण हैं:
 * चिकित्सा/सौंदर्य प्रसाधन: 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 के माध्यम से 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 आईफोन एक्स के लिए "डॉट प्रोजेक्टर")
 * ऑटोमोबाइल टकराव से बचाव के लिए लिडार

इतिहास
1965 में इवर्स मेलेंगेलिस के माध्यम से  कम तापमान और चुंबकीय वाहक परिरोध पर बल्क सेमीकंडक्टर से सतह उत्सर्जन की सूचना दी गई थी।   शॉर्ट ऑप्टिकल गुहा वीसीएसईएल का पहला प्रस्ताव 1977 में टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के केनिची इगा  के माध्यम से 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   वेफर सतह पर ऊर्ध्वाधर है।1979 में एक छोटे गुहा में पहला प्रदर्शन सोडा, आईजीए, किताहारा और यासुहरु सुइमत्सु  के माध्यम से किया गया था, किन्तु  कमरे के तापमान पर निरंतर लहर संचालन के लिए उपकरणों को 1988 तक रिपोर्ट नहीं किया गया था। वीसीएसईएल शब्द को 1987 में ऑप्टिकल सोसाइटी ऑफ अमेरिका के प्रकाशन में गढ़ा गया था। 1989 में, जैक ज्वेल ने   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 वीसीएसईएलएस ने सभी व्यावसायिक वीसीएसईएल में अभी भी उपयोग की जाने वाली अन्य डिज़ाइन सुविधाओं को प्रस्तुत किया।इस प्रदर्शन ने सतह-उत्सर्जक लेजर के विकास में   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 (डीएआरपीए) के एंड्रयू यांग ने जल्दी से वीसीएसईएल आर एंड डी की ओर महत्वपूर्ण फंडिंग प्रारंभ  की, इसके बाद अन्य सरकार और औद्योगिक फंडिंग प्रयास किए गए।  वीसीएसईएलएस ने गीगाबिट ईथरनेट और फाइबर चैनल जैसे शॉर्ट-रेंज फाइबरऑप्टिक संचार के अनुप्रयोगों में एज-एमिटिंग लेजर को बदल दिया, और अब 1 से 400 गीगाबिट्स प्रति सेकंड या उससे अधिक लिंक बैंडविड्थ के लिए उपयोग किया जाता है।

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