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Optimale Eigenschaften für die Sensorik

Was ist eigentlich ein VCSEL?

29. Oktober 2020, 15:00 Uhr   |  Nicole Wörner

Was ist eigentlich ein VCSEL?
© Beck Elektronik

Bild 1: Schematische Darstellung eines VCSEL-Chips

Im Umfeld der Optoelektronik ist seit einiger Zeit eine Abkürzung immer häufiger zu hören und zu lesen: VCSEL. Doch was genau ist eigentlich ein VCSEL? Was sind die wichtigsten Eigenschaften und Kenngrößen? Und wo finden sie praktischen Einsatz?

Von Markus Oberascher, Produktmanager für VCSEL und ToF-Sensoren bei Beck Elektronik

VCSEL steht für Vertical Cavity Surface Emitting Laser. Es ist eine Laserdiode, deren Resonator vertikal ausgerichtet ist und das Licht von der Oberfläche abstrahlt. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau eines VCSEL-Chips. Der PN-Übergang ist dabei in sogenannten Bragg-Spiegeln eingebettet, die den Resonator bilden. Durch die vertikale Anordnung und Abstrahlung nach oben kann ein VCSEL-Chip bereits auf Wafer-Ebene getestet werden, was im Gegensatz dazu bei Edge Emitting Lasern (EEL) nicht möglich ist. Dadurch lassen sich fehlerhafte Teile bereits am Anfang der Produktionskette erkennen, aussortieren und somit die Kosten gegenüber EEL reduzieren.

Bild 1: Schematische Darstellung eines VCSEL-Chips
© Beck Elektronik

Bild 1: Schematische Darstellung eines VCSEL-Chips

Obwohl erste Entwicklungen von VCSEL bereits auf die 1960er-Jahre zurückzuführen sind, waren VCSEL lange Zeit wenig bekannt und deren Anwendungen aufgrund der geringen optischen Leistung im mW-Bereich beispielsweise auf die optische Datenübertragung begrenzt. Mit der Entwicklung sogenannter VCSEL Arrays konnte die optische Ausgangsleistung jedoch in den Wattbereich gesteigert werden, was die Türen für viele neue Anwendungen öffnete.Bei einem VCSEL Array werden bis zu einige hundert Einzelemitter (wie in Bild 1 dargestellt) auf einem Chip integriert und dadurch die Leistung erhöht (Bild 2).

Bild 2: VCSEL Array Chip
© Beck Elektronik

Bild 2: VCSEL Array Chip

Somit lässt sich die optische Ausgangsleistung mit der Anzahl der Emitter skalieren und auf unterschiedliche Anforderung anpassen. Die Chipgröße solcher VCSEL Arrays liegt meist im Bereich von etwa 0,25 mm² bis zu wenigen Quadratmillimetern. Es ist in der Industrie üblich, dass VCSEL Arrays oft auch nur als VCSEL bezeichnet werden. Wir übernehmen dies im Weiteren, es sein denn es wird explizit die Bezeichnung „VCSEL mit einem Emitter“ oder „VCSEL Array“ verwendet.

Parameter eines VCSEL

Weil es sich um einen Halbleiterlaser handelt, hat dieser eine bestimmte Durchlassspannung. Bei VCSEL im Infrarotbereich von 850 nm und 940 nm liegt diese bei etwa 1,2 bis 1,4 V. Die Vorwärtsspannung bei üblichen Betriebsbedingungen liegt dann im Bereich um ca. 2 V. Der Betriebsstrom eines VCSEL hängt von dessen Größe bzw. Anzahl an Emittern ab. Ein VCSEL mit nur einem Emitter hat meist einen maximalen Betriebsstrom von etwa 5 bis 20 mA. Ein VCSEL Array mit 200 bis 300 Emittern kann mit Strömen von etwa 3 bis 4 A betrieben werden, da alle Emitter auf dem Array elektrisch parallel geschaltet sind und dadurch die Strombelastbarkeit mit der Anzahl der Emitter steigt.
 

Bild 3: Auszug „Elektrooptische Parameter eines 2W VCSEL Arrays der Fa. Lextar“
© Beck Elektronik

Bild 3: Auszug „Elektrooptische Parameter eines 2W VCSEL Arrays der Fa. Lextar“

Eine wichtige Kenngröße eines VCSEL ist der sogenannte Schwellstrom (engl. threshold current). Dieser sagt aus, welcher elektrische Strom mindestens nötig ist, damit die Laseroszillation eintritt und der VCSEL überhaupt erst Licht aussendet. Bild 3 zeigt die Spezifikation eines 2 W VCSEL Arrays der Firma Lextar. Der Schwellstrom liegt hier typischerweise bei 0,75 A. Erst wenn der VCSEL mit mindestens 0,75 A betrieben wird, beginnt dieser Licht auszusenden. Dies ist auch in dem Diagramm „Radiant Power vs. Current“ (Bild 4) sehr gut zu sehen. Erst ab einem Strom von 0,75A steigt die optische Ausgangsleistung an. Wird der Strom weiter erhöht, nimmt auch die Strahlungsintensität zu. Die Steigung dieser Kurve nennt man Slope Efficiency SE, welche in W/A angegeben wird und eine wichtige Kenngröße zur Effizienz von VCSEL darstellt. In der Spezifikation in Bild 3 ist diese mit typ. 0,8 W/A beziffert. Das bedeutet, dass mit jeder weiteren Erhöhung des Betriebsstroms um ein Ampere die optische Ausgangsleistung um 0,8 W zunimmt.

Bild 4: Strahlungsleistung in Abhängigkeit des Stroms
© Beck Elektronik

Bild 4: Strahlungsleistung in Abhängigkeit des Stroms

In unserem Beispiel würde das bedeuteten, dass bei 1,75 A (Schwellstrom +1 A) der VCSEL 0,8 W ausstrahlt, bei 2,75 A wären es dann 1,6 W. Mit zunehmendem Betriebsstrom erwärmt sich allerdings der VCSEL durch entstehende Verlustleistung, was zu einer geringeren Effizienz führt und in weiterer Folge dazu, dass die optische Leistung nicht mehr linear zunimmt. Deshalb gilt die Slope Efficiency nur in einem definierten Bereich und wird mit zunehmendem Strom geringer. Weil VCSEL in der Regel gepulst angesteuert werden, lässt sich die Erwärmung gering halten, indem Pulsdauer und Tastverhältnis so klein wie möglich gehalten werden. Bei extrem kurzen Pulsen (im ns-Bereich) und kleinem Tastverhältnis (um 1 %) lässt sich bei VCSEL Arrays eine lineare Zunahme der optischen Leistung bis zu einigen Ampere Spitzenstrom erreichen. Ein gutes thermisches Design der Leiterplatte (Metal-Core-PCB, Kühlkörper) hilft weiter die Temperatur des VCSEL so gering wie möglich zu halten.

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1. Was ist eigentlich ein VCSEL?
2. Technische Besonderheiten im Blick
3. Anwendungen von VCSEL

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