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Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs)

I VCSEL sono microlaser a semiconduttore, una Key Enabling Technology in molte applicazioni ICT, dal datacom alla sensoristica. Sono oggi la sorgente ottica a seminconduttore per antonomasia ed il loro volume di produzione è in crescita esponenziale. Presto saranno introdotti in tutti gli smartphones e nei processori per lo scambio dei dati intra- e inter-chip. Un VCSEL è un risonatore dielettrico complesso, formato da centinaia di strati longitudinali con possibilità di varie geometrie trasversali al fine di ottenere particolari prestazioni, a seconda dell'applicazione.
Si tratta di microlaser pilotati con correnti di pochi milliampere e potenze forniti di alcuni milliwatt; oggi coprono la quasi totalità del mercato, con applicazioni dal datacom alla sensoristica, e sempre nuovi utilizzi sono proposti. Questo grazie alle loro caratteristiche: bassi costi di produzione, emissione di fasci circolari adatti all'accoppiamento in fibra, bassa soglia, alta efficienza, facilità di averli in array lineari o bidimensionali per applicazioni di maggior potenza.
Nel 2002 IEIIT ha presentato un modello elettromagnetico rigoroso basato sulla teoria dell'accoppiamento modale che permette di calcolare i modi vettoriali di qualunque struttura in modo numericamente efficiente (qualche minuto su un normale PC). Tale codice, complatamente implementato "in house", è stato validato da confronti con risultati sperimentali su svariati dispositivi con diverse geometrie.
Tale software ha permesso di progettare, realizzare e brevettare un tecnica per stabilizzare la polarizzazione del laser, attraverso un reticolo dielettrico ricavato sulla superficie del laser. Tale tecnica è ora divenuta lo standard per controllare la polarizzazione. È questo un aspetto fondamentale in molteplici applicazioni sensoristiche, quali ad esempio i laser mice, gli apparati che hanno utilizzato ad oggi il maggior numero di VCSELs (8 milioni di pezzi) e che si servono del VCSEL progettato da IEIIT.
Nel progetto europeo SUBTUNE (www.subtune.org) IEIIT si è occupato del progetto e del modeling di VCSEL tunabili, ottenendo nel 2011 il record di tunabilità continua di 102 nm (Fig. 1), tuttora imbattuto.
Recentemente, in collaborazione con TUB (Berlino, D), sono in corso di studio VCSEL a singolo modo ed elevata potenza, per applicazioni nei data centers; tramite l'utilizzo dei cosiddetti "vortex modes" e particolari schemi di modulazione, si mira alla trasmissione multi-Terabit transmission per la futura infrastruttura Ethernet.