Un láser de emisión de superficie de cavidad vertical de diodo o VCSEL [v'ɪxl] (para láser de emisión de superficie de cavidad vertical en inglés ) es un tipo de láser de diodo a semiconductor emisor de rayos láser perpendicular a la superficie, a diferencia de los láseres de semiconductores de emisión de borde convencionales.
Los diodos VCSEL tienen muchas ventajas sobre los láseres de emisión de borde, en particular con respecto al proceso de fabricación:
La primera VCSEL fue presentado en 1979 por Soda, Iga, Kitahara y Suematsu, pero no fue hasta 1989 para ver los dispositivos con la corriente umbral fue de menos de 1 m A . En 2005, los VCSEL ya habían reemplazado los láseres emisores de obleas para aplicaciones de comunicación de fibra óptica de corto alcance, como los protocolos Gigabit Ethernet y Fibre Channel .
El resonador láser consta de dos espejos de Bragg paralelos a la superficie de la oblea y, entre ellos, de una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos que permiten la generación del rayo láser. Los espejos de Bragg están hechos de capas alternas de índice de refracción alto y bajo . El espesor de cada capa es un cuarto de la longitud de onda del láser en el material, lo que permite obtener una reflectancia superior al 99%. En los VCSEL, se necesitan espejos de alta reflectancia para compensar la corta longitud del medio amplificador.
En la mayoría de los VCSEL, los espejos superior e inferior son materiales dopados de tipo p y n , respectivamente , que forman una unión PN . En algunos VCSEL más complejos, el p y n regiones pueden ser enterrados entre los espejos de Bragg; esto implica un proceso más complejo para hacer el contacto eléctrico con el medio amplificador, pero limita las pérdidas eléctricas en los espejos de Bragg.
Se están llevando a cabo investigaciones sobre sistemas VCSEL utilizando nuevos materiales. En este caso, el medio amplificador puede ser bombeado por una fuente de luz externa de longitud de onda más corta (normalmente otro láser ). Esto permite presentar el funcionamiento de un VCSEL sin agregarle el problema de lograr un buen desempeño eléctrico. Sin embargo, estos dispositivos no se pueden transponer a la mayoría de las aplicaciones actuales.
Los VCSEL para obtener haces de longitud de onda entre 650 nm y 1300 nm se fabrican típicamente en obleas de arseniuro de galio ( Ga As ). Los espejos de Bragg están compuestos por capas alternas de GaAs y arseniuro de aluminio-galio ( Al x Ga (1-x) As ). La alternancia GaAs / AlGaAs es interesante para la construcción de VCSEL, porque la constante de la red del material varía poco cuando cambia la composición, lo que permite el crecimiento epitaxial de múltiples capas en el sustrato de GaAs con ajuste de malla . Por otro lado, el índice de refracción de los AlGaAs varía mucho en función de la fracción volumétrica del aluminio: esto permite minimizar el número de capas necesarias para obtener un espejo de Bragg eficaz (en comparación con otros materiales). Además, para altas concentraciones de aluminio, es posible formar un óxido de AlGaAs, que se puede utilizar para limitar la corriente en un VCSEL, lo que permite utilizar corrientes de umbral muy bajas.
Existen dispositivos que permiten obtener haces entre 1300 nm y 2000 nm , compuestos por fosfuro de indio al menos como medio de amplificación.
Los VCSEL que proporcionan haces de longitudes de onda aún más largas se encuentran en 2005 solo en la etapa experimental y, en general, se bombean ópticamente.
Como los VCSEL emiten a través de la superficie, se pueden probar directamente en la oblea , antes de cortarlos en dispositivos individuales. Esto reduce su coste de fabricación y también permite producirlos en forma de matriz.
La gran apertura de salida de los VCSEL, en comparación con la mayoría de los láseres emisores de bordes, produce un ángulo de divergencia del haz más pequeño. Por lo tanto, es posible conectar un VCSEL a una fibra óptica con alta eficiencia de acoplamiento.
El alto coeficiente de reflexión de los espejos de Bragg reduce el umbral de corriente de los VCSEL, lo que reduce su consumo de energía. Por otro lado, los VCSEL emiten a potencias más bajas que los láseres emitidos por la oblea. El bajo umbral de corriente también permite obtener anchos de banda con alta modulación intrínseca.
La longitud de onda de los VCSEL se puede ajustar (dentro del rango de ganancia del medio amplificador) modificando el grosor de las capas que forman los espejos de Bragg.
Finalmente, mientras que los primeros VCSEL emitían en múltiples modos longitudinales o en modo de filamento, en 2005 era común encontrar VCSEL monomodo.