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Laser VCSEL, nuova tecnologia per fibra ottica più efficiente

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Laser VCSEL, nuova tecnologia per fibra ottica più efficiente FASTWEB S.p.A.
Laser
Internet
Sfruttando un'emissione verticale anziché laterale, assicura una propagazione maggiore e una connessione Internet più veloce

Il Vertical Cavity Surface Emitting Laser (in italiano "Laser a cavità verticale a emissione superficiale", acronimo VCSEL) è un diodo laser che promette di rivoluzionare le comunicazioni in fibra ottica migliorandone l'efficienza di trasmissione e dando modo di realizzare connessioni Internet più veloci. Come dice anche il nome, un laser VCSEL emette luce verticalmente (o perpendicolarmente rispetto alla superficie dei semiconduttori che generano il fascio luminoso) mentre i "normali" laser emettono luce lateralmente (o parallelamente rispetto alla superficie dei semiconduttori che generano il fascio luminoso).

 

Differenza di emissione tra laser VCSEL, luce LED e laser "normale"

 

Vantaggi del VCSEL rispetto al laser "laterale"

La differenza "strutturale" appena accennata consente ai laser a emissione verticale di avere diversi vantaggi rispetto a quelli a emissione laterale. I laser VCSEL hanno costi di produzione inferiori a parità di quantità prodotte e possono essere testati nel corso dell'intero processo. Un particolare, questo, da non sottovalutare. Nel caso dei laser "normali" si ha la possibilità di verificarne il corretto funzionamento solo una volta che il processo di produzione è terminato. Per questo motivo, se qualcosa non dovesse andare per il verso giusto si sarebbe costretti a buttare il prodotto e ricominciare da capo utilizzando nuovi materiali. Il processo produttivo del VCSEL, invece, consente di verificare passo dopo passo se i materiali sono idonei oppure se ci sono problemi nei collegamenti elettrici tra i vari strati di materiale: nel caso in cui qualcosa dovesse andar male, si potrebbe sempre intervenire in corso d'opera evitando così di sprecare tempo, materiali e lavoro.

 

Struttura di un diodo laser VCSEL

 

Cosa ancora più importante, i laser VCSEL garantiscono maggior efficienza e richiedono un minor dispendio elettrico per produrre un fascio luminoso che abbia un output energetico prefissato. I laser verticali sono realizzati con materiali con un indice di rifrazione più basso rispetto a quello dei laser "normali" e, a parità di condizioni di partenza, assicurano una propagazione più estesa del fascio luminoso.

Struttura dei laser VCSEL

 Il fascio laser all'interno di un VCSEL nasce tra due strati di specchi distribuiti di Bragg (distributed Bragg reflector, DBR) posti parallelamente alla superficie del wafer del semiconduttore alla base del diodo e separati da uno o più pozzi quantici responsabili della "generazione" del fascio di luce. Gli specchi DBR sono a loro volta costituiti da un'alternanza di strati sottili (ognuno ha uno spessore di un quarto della lunghezza d'onda del laser) realizzati con materiali ad alto e basso indice di rifrazione: questa configurazione assicura un alto indice di riflettanza (99% circa contro il 30% circa dei normali laser) e una maggiore efficienza elettrica.

 

Struttura di un diodo laser VCSEL

 

In normali laser VCSEL, lo strato superiore e lo strato inferiore degli specchi distribuiti di Bragg sono rispettivamente di tipo positivo (p-type) e di tipo negativo (n-type). Questo consente di creare diodi a giunzione, all'interno dei quali la corrente inizia a fluire dal polo positivo a quello negativo non appena la tensione applicata supera la soglia V, tipica del materiale utilizzato per realizzare il diodo stesso.

Lunghezza d'onda e applicazioni fibra ottica

I VCSEL "tipici" sono realizzati utilizzando wafer in lega di arseniuro di gallio e capaci di emettere onde con una lunghezza variabile tra gli 850 nanometri e i 1300 nanometri. Queste lunghezze corrispondono a un'emissione di energia (o emissione luminosa) vicina ai limiti del campo del visibile: il limite "inferiore" del campo dell'infrarosso è posto infatti a 700 nanometri nello spettro elettromagnetico. Siamo quindi nel campo dell'infrarosso, ma con una lunghezza d'onda che non basta a garantire una trasmissione dati efficiente con la fibra ottica: stando ai dati sperimentali, infatti, è necessaria una lunghezza di almeno 1550 nanometri per ottenere risultati apprezzabili sia dal punto di vista pratico sia dal punto di vista economico.

 

Wafer di laser VCSEL

 

Dispositivi capaci di emettere una lunghezza d'onda più lunga (capace di arrivare fino a 2000 nanometri) sono ancora in fase di studio e utilizzano materiali quali il fosfuro d'indio per creare pozzi quantici capaci di emettere fasci di luce più potenti.

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TAGS: #fibra ottica #laser

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