Laser phát xạ mặt với bộ cộng hưởng thẳng đứng VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) đã được biêt đến từ lâu cho các ứng dụng trong truyền thông dữ liệu nhưng những đặc tính phát xạ đặc biệt của nó không chỉ dừng lại ở những ứng dụng này mà còn được mở rộng ra những ứng dụng tiềm năng khác như chuột quang trong máy tính và đồng hồ nguyên tử, cảm biến...

Sơ qua về lịch sử

VCSEL đã được biết đến trên thị trường thương mại từ những năm 90 và nó đă được dùng như một giải pháp thay thế cho các hệ laser phát xạ cạnh thông thường trong truyền thông dữ liệu bẳng sợi quang ở khoảng cách ngắn. Thật nhanh chóng sau đó, đến những năm cuối thập niên 90, sự phát triển mạnh mẽ trong sản xuất và nhu cầu đáp ứng sự bùng nổ thông tin internet vào thời điểm đó đă khiến cho VCSEL hầu như hoàn toàn chiếm chỗ Laser phát xạ cạnh trên thị trường.

Một vài mẫu sản phẩm VCSEL

Trong năm 2001, các mẫu sản phẩm VCSEL đã được sản xuất lên đến hàng triệu đơn vị và tới 90% trong số đó là dành cho truyền thông dữ liệu. Tuy nhiên, giờ đây lại có một câu chuyện khác: Thị trường dành cho truyền thông dữ liệu không còn là đích đến duy nhất của VCSEL nữa. VCSEL đã phát hiện ra những thị trường tiềm năng khác, rộng mở hơn và rất phù hợp với các đặc tính hấp dẫn của nó như giá thành thấp, tiêu tốn ít năng lượng và độ ổn định cao.

VCSEL là gi?

VCSEL cũng là một laser với cấu trúc cơ bản gồm một lớp vật liệu tích cực được xếp kẹp giữa các lớp bán dẫn khác. Tuy nhiên, khác với các laser phát xạ cạnh, VCSEL phát xạ ánh sáng theo phương vuông góc với bề mặt xếp lớp, tức là phát xạ theo phương thẳng đứng nếu coi phương phát xạ của các laser phát xạ cạnh thông thường là nằm ngang (song song với các xếp lớp).

Ưu điểm của việc phát xạ theo phương thẳng đứng thì rất nhiều. Có thể kể ra đây ưu điểm nổi bật nhất là khả năng tương thích rất lớn về mặt kích thước của loại laser này với các linh kiện, thiết bị khác nhờ vào kích thước bề mặt phát xạ nhỏ của nó.

Ngoài ra, VCSEL có thể được kiểm tra, kiểm định chất lượng các đặc tính ngay trên các xếp lớp (wafer) trước khi tiến hành cắt chẻ (cleaving). Như vậy, so với việc chế tạo laser phát xạ cạnh, VCSEL đã giúp tránh khỏi các bước tiền kiểm định đắt đỏ (vì thông thường, để kiểm định laser phát xạ cạnh, công đoạn cắt chẻ phải được làm trước, sau đó tiến hành các bước xếp lớp và gắn kết thêm để kiểm tra đặc tính). Điều này sẽ khiến cho việc sản xuất VCSEL có thể diễn ra hoàn toàn tự động và số lượng thành phẩm được kiểm tra có thể lên đến hàng chục nghìn chiếc trong một giờ kéo theo giá thành sản phẩm hạ thấp không chỉ đối với nhà sản xuất mà còn với cả người tiêu dùng.

Đặc tính kĩ thuật

Mặc dù xét về bản chất cấu tạo, VCSEL vẫn phải tạo ra được một hộp cộng hưởng bên trong nó và các gương phản xạ để có thể phát xạ ra ánh sáng laser. Tuy nhiên, cấu trúc của VCSEL vẫn có những điểm rất khác biệt so với laser phát xạ cạnh thông thường.

Hộp cộng hưởng (môi trường có tăng ích) của laser phát xạ cạnh thường có chiều dài cỡ milimét trong khi đó kích thước này của VCSEL điển hình chỉ khoảng 20 - 30 nanomét (ngắn hơn cỡ 100 nghìn lần).

Vì kích thước hộp cổng hưởng ngắn nên buộc VCSEL phải có độ phản xạ cao ở các gương phản xạ. Thay vì độ phản xạ 30% như với laser phát xạ cạnh GaAs thông thường, VCSEL yêu cầu độ phản xạ của gương phải đạt tới 99,8%. Đồng thời các gương này không được có tính hấp thụ mà thay vào đó phải là độ truyền qua tốt để tránh việc bị quá nóng.

Chính yêu cầu khắt khe về đặc tính của các gương (có độ phản xạ cao đồng thời độ truyền qua cũng phải tốt) khiến cho việc sản xuất đại trà VCSEL gặp không ít khó khăn. Và giải pháp được lựa chọn là cho tích hợp một cách tử Bragg (được cấu tạo từ các lớp vật liệu như AlGaAs có chiết suất luân phiên cao thấp) vào trong VCSEL.

Nhờ vào sự kết hợp của các gương phản xạ cao và kích thước hộp cộng hưởng nhỏ khiến cho ngưỡng phát xạ laser sẽ thấp đi. Điều này đồng nghĩa với việc VCSEL sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Tuy rằng gây khó khãn cho việc sản xuất đại trà nhưng đặc điểm hộp cộng hưởng ngắn của VCSEL lại góp phần tăng thêm một ưu điểm trong đặc tính phát xạ của laser này, đó là sự ổn định cao của mode phát xạ đơn mode. Trường phát xạ đơn mode của VCSEL thường có tính đối xứng cao, phân bố phát xạ gần giống dạng gauss, không méo dạng. Vì vậy mà VCSEL phát xạ đơn mode không yêu cầu các hệ chỉnh sửa phức tạp như laser
phát xạ cạnh (chẳng hạn như không cần các bộ sửa dạng phân bố bất đối xứng).

Ứng dụng

Chính những đặc tính kĩ thuật trên của VCSEL như giá thành thấp, độ ổn định cao, tiêu ít công suất đã khiến VCSEL trở thành sự lựa chọn đương nhiên trong các ứng dụng truyền thông dữ liệu thay thế cho laser phát xạ cạnh. Tuy nhiên, người ta còn nhận ra rằng còn có những thị trường tiềm năng hơn đang chờ đợi nó.

Chuột quang

Một trong những thị trường đó chính là sản phẩm chuột quang không dây dùng cho máy tính. Sản phẩm này yêu cầu độ tiêu tốn năng lượng thấp nhất có thể để kéo dài thời gian sống của pin. Và rõ ràng, VCSEL đáp ứng được điều này để thay thế cho LED, bởi thông thường một đi-ốt phát quang LED cần tiêu tốn đến 20 mW điện năng để có thể tạo ra được công suất quang là 1 mW thì VCSEL chỉ cần dưới 10 mW với cùng một công suất quang đầu ra như trên. Ngoài ra, tính kết hợp cao của nguồn sáng phát ra bởi VCSEL cho phép cải thiện các công nghệ cảm ứng khiến việc điều khiển của chuột quang đạt độ chính xác cao hơn. Chính vì lẽ đó, hiện giờ trên thị trường VCSEL, số lượng sản phẩm dành cho ứng dụng chuột quang còn nhiều hơn là dùng cho truyền
thông dữ liệu.

Một ứng dụng khác của VCSEL là đồng hồ nguyên tử. Sở dĩ VCSEL có thể được ứng dụng vào lĩnh vực này là nhờ vào đặc tính phát xạ đơn mode ổn định và khả năng điều chế ở tần số cao. Các vi mạch sử dụng VCSEL trong các đồng hồ nguyên tử thường có kích thước dưới 1 cm khối. Đặc biệt, các đồng hồ này có thể được ứng dụng vào các hệ thống GPS sử dụng nguồn điện điều khiển.

Ngoài ra, trong một vài năm gần đây, người ta còn ứng dụng VCSEL trong các cảm biến đo đạc oxy công nghiệp. So với các giải pháp truyền thống khác như điện-hóa (electro-chemical) hay từ thuận (paramagnetic), các cảm biến sử dụng VCSEL có thời gian đáp ứng nhanh hơn, độ nhạy cao hơn, ổn định và ít chịu ảnh hưởng của các loại khí khác.

Tiếp tục cải thiện

Giống như bất kì một loại laser nào, các đặc tính kĩ thuật như tốc độ điều chế, dải băng tần phát xạ và độ ổn định luôn là các tham số quan trọng và luôn cần được cải thiện.

Trong năm 2000, VCSEL tốc độ cao đã được đánh dấu ấn nhờ vào một kĩ thuật sản xuất mới có tên "selective oxidation" (oxi hóa chọn lựa). Hiện, tốc độ điều chế của loại laser này trên thị trường đang là 10 Gbit/s. Các nghiên cứu đang cố gắng đẩy tốc độ này lên tới 16 Gbit/s và thậm chí là 25 Gbit/s.

Về độ ổn định, VCSEL thông thường có thể dịch chuyển bước sóng phát xạ cỡ vài nanomét khi thay đổi dòng điều biến hay nhiệt độ sử dụng. Nó có khả năng khống chế sự dịch chuyển này ở mức nhỏ hơn, tăng độ tin cậy tuy nhiên giá thành sẽ phải tăng lên.

Vùng bước sóng phát xạ của VCSEL cũng đang được mở rộng. Với các vật liệu AlGaAs, vùng phát xạ thông thường của các sản phẩm thương mại ngày nay là 750 nm đến 980 nm. Sử dụng thêm các vật liệu phụ một cách phù hơp, vùng giới hạn phía trên của bước sóng phát xạ đã được mở rộng lên đến 2000 nm. Điều này mở ra một hướng mới cho các ứng dụng trong cảm biến khí với độ nhạy cao hay các bộ phát đáp của mạng liên lạc đô thị. Ở vùng bước sóng thấp hơn 700 nm, VCSEL cũng đã đạt được những bước tiến, cho phép khả năng ứng dụng cho hệ thống viễn thông dùng sợi quang nhựa và các ứng dụng yêu cầu vùng phát xạ bước sóng nhìn thấy.

Thay lời kết

Các ứng dụng trong truyền thông dữ liệu tiếp tục phát triển ổn định đối với VCSEL. Bên cạnh đó, chính những đặc điểm nổi bật của VCSEL khiến nó có thêm khả năng mở rộng sang các thị trường khác mà về cơ bản không phải thay đổi thêm nhiều về vấn đề kĩ thuật. Ứng dụng trong các thiết bị chuột quang đã chứng minh điều đó. Thị trường này đang cựa mình và những thị trường tiềm năng khác vẫn đang mở ra đối với VCSEL bao gồm như mật mã quang, đồng hồ nguyên tử, cảm biến...

Quả là những bước tiến đáng mừng cho ngành công nghiệp quang tử.

Thành Việt (Theo Optics.org)