Il Vertical-cavity surface-emitting laser o VCSEL è un tipo di laser a semiconduttore con emissione laser perpendicolare alla superficie della giunzione p-n (regione attiva) in cui si verificano le ricombinazioni radiative; la luce viene quindi emessa ortogonalmente alla superficie del semiconduttore contrariamente ai più classici laser ad emissione laterale, in cui la luce viene confinata in una striscia parallela al piano di giunzione e l‟emissione avviene in direzione parallela alla superficie del semiconduttore e della giunzione (in genere per evitare dispersioni la faccia opposta a quella emittente viene trattata con un rivestimento riflettente) [31].
Il VCSEL ha la caratteristica di trasmettere con un solo modo di propagazione (spettro costituito idealmente da una riga) grazie ad una lunghezza della cavità risonante estremamente ridotta (1µm circa), per cui la spaziatura dei modi (distanza fra le righe dello spettro di emissione inversamente proporzionale alla lunghezza della cavità) eccede la banda di guadagno (intervallo di frequenze in cui il guadagno lungo la cavità è tale da compensare le perdite e garantire l‟autosostentamento dell‟oscillazione ottica).
L‟emissione della luce avviene in direzione perpendicolare alla superficie della regione attiva, il fascio di luce emesso assume forma circolare e l‟area di emissione è notevolmente ridotta rispetto alla sezione trasversale del nucleo della fibra; questo garantisce un accoppiamento molto efficiente con una fibra monomodale.
La struttura del VCSEL prevede la costituzione di molteplici strati attivi su un substrato. La regione attiva, formata da uno o più buche quantiche (confinamento dei portatori, originariamente liberi di muoversi nelle tre dimensioni, in una regione planare, ottenuto mettendo un sottilissimo stato epitassiale (5÷10 nm) di semiconduttore fra due strati di materiale con un band gap maggiore), è circondata da due specchi Distributed Bragg Reflector(DBR) ad alta riflettività che rivestono la regione attiva. La struttura quindi consta di tre sezioni principali: i due riflettori di Bragg terminali e, tra di essi, la regione attiva a buche quantiche multiple.
A sua volta ciascun DBR è ottenuto alternando periodicamente strati epitassiali di semiconduttori con diverso indice di rifrazione, come AlAs e GaAs, ciascuno di spessore
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, dove è la lunghezza d'onda emessa dal VCSEL.
Fig. 2-20.Struttura di un VCSEL per emissione in terza finestra(1.55µm) [31]
La produzione di laser VCSEL porta ad alcuni vantaggi rispetto ai laser ad emissione laterale. Uno di questi è che i laser ad emissione laterale non possono essere testati fino alla fine del processo di produzione, mentre, essendo il raggio emesso dai VCSEL perpendicolare all‟area attiva, il test dei dispositivi si può fare direttamente sul wafer senza l‟obbligo del taglio di ciascuno, riducendo drasticamente i costi di fabbricazione in quanto possono essere testati in diverse fasi durante il processo di produzione per verificare la presenza di problemi di qualità e di lavorazione dei materiali.
Inoltre essendo l‟area attiva protetta dai DBR meno sensibili all‟esposizione con l‟aria, questa non è interfacciata direttamente con l‟esterno, per cui è possibile sostituire il packaging tipico di laser la cui area attiva è direttamente esposta all‟aria (come i DFB), con packaging meno ingombranti e costosi. Per questo stesso motivo i VCSEL sono più affidabili ed hanno tempi di vita mediamente più lunghi dei classici DFB o di quei laser con la regione attiva esposta.
Un‟ulteriore caratteristica vantaggiosa dei VCSEL consiste nella bassa corrente di soglia (100µA-1mA) (ovvero il valore minimo di corrente di alimentazione che innesca l‟emissione laser). Essa infatti dipende in maniera proporzionale dalla larghezza della regione attiva che nel caso dei VCSEL è estremamente ridotta se confrontata con altre tipologie di laser.
Il più grande svantaggio è invece rappresentato dalla bassa potenza ottica in uscita che non supera pochi milliwatt di potenza a causa delle piccole dimensioni del volume attivo (poche decine di µm3), questo rende i VCSEL particolarmente adatti per applicazioni local-area in cui non sono richieste grandi potenze ed in cui i costi devono essere molto contenuti. Una soluzione adottata per compensare tale difetto consiste nell‟integrare su un unico chip matrici bidimensionali di questi emettitori, in modo da accrescere la potenza ottica emessa e convogliata in fibra.
I VCSEL data la possibilità di sintonizzare ogni laser che costituisce un array bidimensionale su diverse lunghezze d‟onda e dato il grande range di lunghezze d‟onda a cui può essere sintonizzato ciascun elemento (in genere superiore ai 50 nm), sono molto adatti per applicazioni WDM.
La caratteristica potenza ottica P – corrente di pilotaggio I tipica di un VCSEL è quella illustrata in Fig. 2-21 [32].
Fig. 2-21.Esempio di curve Potenza ottica-Corrente di un VCSEL con temperatura del dissipatore di 20°C, 30°C e 80°C. L’inserto mostra lo spettro monomodale tipico di un VCSEL a temperatura ambiente [32].
La buona linearità di tale caratteristica in un ampio range di valori di corrente di pilotaggio ben si presta ad una modulazione diretta (la corrente di pilotaggio del laser è modulata tra 2 o più livelli, direttamente dal segnale che si desidera trasmettere).
La Fig. 2-21 mostra inoltre come il valore della corrente di soglia e la pendenza della caratteristica P-I sia strettamente legata alla temperatura del dispositivo; nell‟ inserto viene invece evidenziato lo spettro monomodale dell‟emissione laser con un side-mode suppression ratio (rapporto fra la potenza del modo principale e la potenza del modo secondario dominante) tipicamente molto alto (nell‟esempio oltre i 40dB). La variazione della temperatura genera anche uno shift della lunghezza d‟onda di emissione.
La Fig. 2-22 mostra come la banda di modulazione dipenda dalla corrente di bias (valor medio di corrente di pilotaggio)
Fig. 2-22.Risposta in frequenza VCSEL al variare della corrente di bias per una temperatura di 20°C [32] I principali fattori che degradano le prestazioni del VCSEL come qualsiasi altro laser sono il chirp, il rumore di fase e la fluttuazione della potenza emessa attorno al valor medio.
Il chirp è un fenomeno per cui a causa di una brusca e ampia variazione della corrente di iniezione, utilizzata per modulare direttamente il laser, si creano squilibri dell‟indice di rifrazione del semiconduttore che portano ad una variazione della frequenza istantanea di emissione durante il transitorio rispetto al valore in regime stazionario. Questo causa, in un segnale ottico ottenuto dalla modulazione dell‟oscillazione emessa dal laser, un sensibile allargamento dello spettro dell‟impulso trasmesso e come conseguenza una maggiore sensibilità al fenomeno della dispersione cromatica.
Il laser come qualsiasi oscillatore non trasmette una sinusoide perfetta: lo spettro di emissione non coincide mai con una riga ideale o equivalentemente l‟andamento del tempo dell‟oscillazione non coincide esattamente con una sinusoide a frequenza e ampiezza fissate. Tale caratteristica nel caso dei laser è legata all‟emissione spontanea che, come noto, produce fotoni con fase aleatoria che si sommano al campo macroscopico utile (monocromatico) prodotto per emissione stimolata. Questo implica che l'inviluppo complesso del campo ottico uscente dalla superficie della faccia emittente del laser è del tipo:
Dove ( )è un processo aleatorio detto, appunto, rumore di fase e il rumore di frequenza ottenuto derivando il rumore di fase è un processo stazionario gaussiano bianco.
La potenza ottica istantanea ( ) del segnale prodotto da un laser non è costante bensi oscilla attorno al suo valor medio :
( ) ( ) [ ( )] , ( )-
Dove ( ) è la fluttuazione di potenza normalizzata a valor medio nullo dovuto all‟emissione spontanea, denominata rumore relativo di intensità (Relative Intensity Noise-RIN). La varianza del RIN è data dal rapporto della varianza della fluttuazione ( ) è il quadrato del valor medio della potenza .