Dikey Kaviteli Yüzey Işımalı Lazer (VCSEL)
Dikey Kaviteli Yüzey Işımalı Lazer (VCSEL veya Vertical Cavity Surface Emitter Laser),optik iletişimde devrim niteliğinde bir cihazdır ve büyük gelişim potansiyeline sahip bir optoelektronik teknoloji türüdür.
VCSEL, dikey kaviteli yüzey ışımalı lazer ifadesinin kısaltmasıdır ve aslında cihazın yapısının bir tanımını ifade eder. Lazer cihazın üst yüzeyinden yayılır ve dairesel bir yayılım deseni sunan oldukça kompakt bir lazer kaynağı sağlamaktadır. Bu, optik bir fiberle kolay bağlantı yapılmasını ve algılama uygulamaları için pratik bir şekilde kullanılabilmesini mümkün kılmaktadır. Şekil 1, bir ışık yayan diyotun (LED), VCSEL’in ve kenar yayan lazerin (EEL) ışık yayılım desenlerini göstermektedir.
Şekil 1. LED, VCSEL ve EEL’in yayılım desenlerini gösteren bir diyagram. (Görsel: Instrument Systems)
VCSEL’in olağanüstü performansı büyük bir ilgi uyandırmış ve onu küresel bir araştırma odağı haline getirmiştir. Son on yılda, VCSEL’ler yapı, malzemeler, dalga boyu ve uygulama alanlarında önemli ölçüde ilerleme kaydetmiş ve birçok cihaz piyasaya sürülmüştür.
VCSEL Yapısı
Şekil 2, tipik bir VCSEL yapısını göstermektedir. Bu yapı, genellikle galyum arsenit (GaAs) veya indiyum fosfit (InP) gibi malzemelerden oluşan bir yarı iletken alttaşın üzerine, ilk ana bileşen olan alt Dağıtılmış Bragg Yansıtıcı (DBR) bulunacak şekilde tasarlanmaktadır. DBR, farklı kırılma indislerine sahip yarı iletken malzeme katmanlarından oluşur ve belirli dalga boylarındaki ışığı güçlü bir şekilde yansıtmak üzere tasarlanmıştır.
DBR’nin üzerinde ise VCSEL’in önemli bir parçası olan aktif bölge yer almaktadır. Bu bölgede genellikle yalnızca birkaç nanometre kalınlığında olan kuantum kuyuları adı verilen ultra ince katmanlar bulunur. Kuantum kuyularında elektronların ve boşlukların yeniden birleşmesiyle lazer ışığı verimli bir şekilde üretmektedir.
Aktif bölgenin etrafında, genellikle elektrik iletimi sağlayan ve üst DBR olarak görev yapan ek katmanlar yer almaktadır. Üst DBR de alt DBR gibi, yayılan ışığın boşluk içinde kalmasını sağlayarak lazerin yüksek verimliliğine ve hassas dalga boyu kontrolüne katkıda bulunmaktadır. Bu iyi yapılandırılmış VCSEL tasarımı, optik iletişimden algılama teknolojilerine kadar geniş bir yelpazede güvenilir ve çok yönlü bir lazer kaynağı sunmaktadır.
Şekil 2. VCSEL yapısını gösteren bir diyagram. (Görsel: gophotonics)
VCSEL Çalışma Prensibi
VCSEL’ler, bir yarı iletken yapıya elektrik akımı enjekte edilerek çalışmaktadır. Bu akım, yarıiletkenin aktif bölgesinde elektronların ve boşlukların yeniden birleşmesine neden olarak,bu süreçte fotonlar açığa çıkarmaktadır. Bu fotonlar, yüksek yansıtıcılığa sahip DBR’ler tarafından oluşturulan lazer boşluğu içinde hapsedilmektedir. Burada rezonans ve yoğunluk artışı meydana gelmektedir. Sonuç olarak, koherent lazer ışığı, yarı iletken yüzeyine dik olarak DBR’lerden birinden dışarı yayılmaktadır. Yayınlanan ışığın gücü, enjekte edilen akımın ayarlanmasıyla kontrol edilebilmektedir.
Şekil 3. VCSEL çalışma prensibini gösteren bir diyagram. (Görsel: gophotonics)
VCSEL’in Avantajları
- Çıkan ışın, dairesel bir yapıya ve düşük bir sapma açısına sahiptir. Bu, optik fiberler ve diğer optik bileşenlerle kolayca eşleştirilmesini sağlarken aynı zamanda yüksek verimlilik sunar.
- Yüksek hızlı modülasyon yapabilme yeteneğine sahiptir ve uzun mesafeli, yüksek hızlı optik fiber iletişim sistemlerinde kullanılabilir.
- Aktif alanın küçük olması sayesinde tek boyuna mod (single longitudinal mode) ve düşük eşik değerli çalışmayı kolayca sağlamak mümkündür.
- Elektro-optik dönüşüm verimliliği %50’nin üzerinde olabilir, bu da cihazın ömrünün daha uzun olduğu anlamına gelir.
- İki boyutlu bir dizi (array) oluşturmak kolaydır. Bu, paralel optik mantık işleme sistemlerine uygulanabilir, yüksek hızlı ve yüksek kapasiteli veri işleme sağlanabilir ve yüksek güçlü cihazlarda kullanılabilir.
- Çip, paketlemeden önce test edilebilir ve ürün seçimi yapılabilir, bu da ürünün maliyetini önemli ölçüde düşürür.
- Mikro mekanik teknolojiyle birlikte lamine edilmiş optik entegre devrelerde kullanılabilir.
VCSEL Uygulama Alanları
Optik İletişim
VCSEL teknolojisi, optik fiber iletişiminde ışık kaynağı olarak iletişim sektöründe kullanılmaktadır. VCSEL’lerin benzersiz tasarımı, ışığın optik fiberlere verimli bir şekilde bağlanmasını sağlayarak yüksek hızlı veri iletimi sunmaktadır. Metal kablolar kullanılarak yapılan geleneksel iletişimle karşılaştırıldığında, optik fiberler üzerinden iletişim, veriyi daha uzun mesafelere ve daha büyük hacimlerde iletebilmektedir. Veri merkezlerinin büyümesi, veri tabanı iletişimlerinin artışı, evlere fiber bağlantı ve bulut tabanlı teknolojinin yaygınlaşmasıyla birlikte veri iletişim hacmi hızla artmıştır. VCSEL’ler, kompakt boyutları, ekonomik maliyetleri, yüksek modülasyon bant genişlikleri ve düşük güç tüketimleri sayesinde optik iletişim için en uygun seçenekler arasındadır.
Şekil 4. VCSEL uygulama alanına ait görsel
Sensörler
VCSEL’ler, yakınlık algılama, mesafe ölçümü, ışık algılama ve biyomedikal algılama gibi birçok farklı sensör türünde kullanılmaktadır. Geleneksel sensörlere kıyasla, daha düşük güç tüketimi, daha yüksek hassasiyet ve daha küçük boyut gibi birçok avantaj sunarlar.
Entegre bir fotodiyot içeren bir VCSEL sensörü, ışık yayabilir ve aynı zamanda geri yansıyan ışığı büyük bir “aktif bölge” (ışığın emildiği alan) ile algılayabilir. VCSEL dizileri halinde düzenlendiğinde, sensörler biyomedikal sensör uygulamaları için kullanılabilmektedir. Bu uygulamalar arasında kan oksijen seviyelerinin okunmasından beyin elektrik akımlarını ölçen, non-invaziv bir yöntem olan manyetoensefalografi (MEG) gibi işlemler bulunmaktadır.
Küçük Tüketici Elektroniği
Modern akıllı telefonlar, birçok işlev için VCSEL’leri kullanmaktadır. Akıllı telefonlardaki yüz tanıma ve 3D algılama, bir VCSEL ışık yayıcı, nokta projektörü ve yakınlık sensörü sayesinde mümkün olmaktadır. Tüketiciler, akıllı cihazlarından daha uzun pil ömrü ve daha küçük boyutlar talep ettikçe, VCSEL’ler düşük güç gereksinimleri, yüksek optik çıkışları, kompakt boyutları ve çok dar spektrum genişlikleri ile bu gereksinimlerin karşılanmasında kilit bir rol oynamaktadır.
VCSEL’ler ayrıca optik fareler, yazıcılar ve tarayıcılar gibi bilgisayar çevre birimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. VCSEL’lerin koherent ışık yayımı, hassas izleme sağlar; belirli dalga boylarında ışık yayma yetenekleri net metinler ve detaylı görüntüler yazdırmayı mümkün kılar; ayrıca doğru ve tutarlı tarama sonuçları sağlamaktadır.
Şekil 5. VCSEL uygulama alanına ait görsel
Araçlar
Araç izleme uygulamalarında VCSEL’ler, LED’lere göre dar çıkış spektrumu, düşük spektral sıcaklık katsayısı ve yüksek modülasyon kapasitesi gibi birçok avantaja sahiptir. Otomotiv uygulamalarında VCSEL’lerin bir avantajı da güneş ışığına karşı bağışıklıklarının olmasıdır. LED tabanlı izleme cihazları geniş bir spektrumda çalıştıkları için güneş ışığı, sokak lambaları ve farlar gibi ortam ışığından gelen parazite duyarlıdır. VCSEL’ler ise daha dar bir spektrumda çalıştıkları için daha dar bir spektral filtre kullanılarak daha iyi bir sinyal-gürültü oranı, daha yüksek hassasiyet ve sürüş sırasında çevresel koşullara karşı daha yüksek dayanıklılığa sahiptir.
VCSEL’ler, otonom araçlar ve çevre haritalama için kullanılan LiDAR (Light Detection and Ranging- Işık Algılama ve Uzaklık Ölçme) sistemlerinde de kullanılır. VCSEL’ler, daha yüksek çözünürlük, geliştirilmiş menzil ve daha hızlı tepki süreleri sunarak otonom araçların karmaşık ortamlarda güvenli ve verimli bir şekilde gezinmesine olanak tanımaktadır.
CÜNAM’ın Projeleri
CÜNAM ekibi olarak, lazer teknolojileri alanındaki yenilikçi çalışmalarımıza VCSEL teknolojisi üzerine odaklanarak önemli katkılar sunmaktayız. Özellikle, günümüzde artan uygulama alanları ve yeni teknolojik potansiyellerle birlikte VCSEL türü lazerlerin pazar payının hızla büyümesi, bu alanda yaptığımız çalışmaların stratejik önemini artırmaktadır. Bu kapsamda, Bilkent Üniversitesi ortaklığı ile 2021 yılı içerisinde 116F365 numaralı ve VCSEL Tabanlı Yüksek Güçlü Yarı iletken Lazerler isimli TÜBİTAK-1003 Öncelikli Alanlar projesinin sonuç raporu teslim edilmiştir.
https://www.dentonvacuum.com/vertical-cavity-surface-emitting-lasers-vcsels-and-their-applications/
https://www.gophotonics.com/community/what-are-vertical-cavity-surface-emitting-lasers-or-vcsels
https://www.fiberoptics4sale.com/blogs/archive-posts/95051078-vcsel-laser-the-advantages-of-vcsel