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光譜學(xué)在VCSEL測(cè)量中的應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):4383 發(fā)布時(shí)間:

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有超越發(fā)光二極管(LED)和邊緣發(fā)射激光器(EEL)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn),因而在近的許多技術(shù)提升中發(fā)揮了重要作用,并且每天都有新的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)。VCSEL集成商和 對(duì)VCSEL進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要具有高分辨率,高速觸發(fā)響應(yīng)和較短積分時(shí)間的光譜儀。 Avantes是值得信賴的能夠支持 VCSEL檢測(cè)技術(shù)的光譜儀供應(yīng)商。

 

 

VCSEL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

 

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種基于半導(dǎo)體技術(shù)的光源,可以采用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等標(biāo)準(zhǔn)薄膜沉積技術(shù)在砷化鎵(GaAs晶片上沉積薄膜來(lái)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),VCSEL從其上表面發(fā)射相干光束。VCSEL由平行于晶片表面的兩個(gè)高反射分布式布拉格反射鏡(DBR)組成,該反射鏡由高低折射率層交替制成,能夠產(chǎn)生較強(qiáng)反射。DBR通常被摻雜以形成二極管結(jié),并用于傳遞載波信號(hào)到達(dá)有源區(qū)域中產(chǎn)生受激輻射(激光)。

有源激光介質(zhì)的作用是提供光反饋并放大反射基質(zhì)之間振蕩的光。在某個(gè)電流值下,往返增益會(huì)大于往返損耗,此時(shí)載波信號(hào)就會(huì)穿過(guò)有源激光介質(zhì)形成激光。 由于VCSEL垂直取向的增益區(qū)域比其他半導(dǎo)體激光器所需的增益區(qū)域小,因此VCSEL激光器產(chǎn)生激光傳播的閾值電流就會(huì)低,所以具有低折射率的DBR可以用于耦合相干光發(fā)射。

VCSEL 的優(yōu)勢(shì)

 

與邊緣發(fā)射激光器相比,VCSEL激光器的垂直腔設(shè)計(jì)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 邊緣發(fā)射激光器在沉積工藝完成并從晶片上模切成器件之前是不能進(jìn)行測(cè)試的。 一旦晶片或薄膜中存在缺陷,就會(huì)浪費(fèi)制造時(shí)間和材料。 VCSEL不但可以使用普通半導(dǎo)體薄膜沉積方法進(jìn)行大批量生產(chǎn),而且可以在生產(chǎn)的各個(gè)階段進(jìn)行測(cè)試,包括對(duì)整個(gè)晶片進(jìn)行測(cè)試,這樣就可以在一個(gè)三英寸晶片上同時(shí)對(duì)上千個(gè)VCSEL進(jìn)行測(cè)試,從而大大提高了生產(chǎn)效率,并降低了生產(chǎn)成本

VCSEL設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是能夠?qū)⒍鄠€(gè)元件聯(lián)結(jié)成二維陣列以增加輸出功率,同時(shí)其較大的輸出孔徑所帶來(lái)的較小發(fā)散角還可以使它更好地與光纖耦合。

由于采用分布式布拉格反射器(DBR)而導(dǎo)致的產(chǎn)生激光傳播的閾值電流的降低,使VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)高功率輸出,而且相比其他激光器/發(fā)光器件會(huì)消耗更低的功率。波長(zhǎng)可調(diào)性是VCSEL的另一個(gè)特征,它是借助于微電子系統(tǒng)的幫助來(lái)調(diào)節(jié)有源區(qū)中反射層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)前VCSEL技術(shù)的應(yīng)用

自從VCSEL推出的40年里,已經(jīng)在數(shù)百個(gè)行業(yè)和市場(chǎng)中找到了無(wú)數(shù)的應(yīng)用,今天我們的周圍到處都是VCSEL。 VCSEL關(guān)鍵功能之一是信號(hào)處理,具體可以表現(xiàn)為通信或傳感。

光纖通信在很大程度上依賴于在1310nm1550nm波段VCSEL的信號(hào)處理能力,用于提供形成電磁載波的光脈沖,在調(diào)制后來(lái)攜帶電話,電纜和因特網(wǎng)(Larson)的信號(hào)。

很多人都非常熟悉的VCSEL普遍用途之一是計(jì)算機(jī)上的激光鼠標(biāo)(VCSEL Wiki),另外一些常見(jiàn)的應(yīng)用包括激光打印機(jī),微型原子鐘,移動(dòng)設(shè)備中的面部識(shí)別以及裝備VCSEL的車輛的防撞系統(tǒng)(VCSEL Wiki)。

VCSEL的未來(lái)

美國(guó)圣母大學(xué)電氣工程系的KitsmillerDummer,Johnson等人研究了使用近紅外可調(diào)諧VCSEL的頻域漫射光譜(fd-DOS)技術(shù),并開發(fā)了小型化可進(jìn)行高分辨率深部組織掃描的非侵入式生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。

隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的,特別是可穿戴傳感器在技術(shù)上受到商用化微型光源的限制,該微型光源需要能夠在650-1350nm之間的生物診斷窗口中產(chǎn)生相干的近紅外光。 增加光譜信息可以提高測(cè)量精度、空間分辨率和靈敏度,但增加額外的激光器或LED組件則會(huì)擴(kuò)大系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性,從而與開發(fā)手持式和可穿戴傳感器及監(jiān)控設(shè)備的目標(biāo)相悖,而VCSEL則地解決了這個(gè)問(wèn)題。

Avantes光譜儀在VCSEL生產(chǎn)和測(cè)試中的應(yīng)用

很多VCSEL 和集成商都使用Avantes公司的AvaSpec光譜儀來(lái)測(cè)試VCSEL的性能,通常AvaSpec-ULS3648-USB2,AvaSpec-ULS4096CL-EVO和新型Mini4096CL這三款光譜儀被用于VCSEL測(cè)試。許多客戶發(fā)現(xiàn)Avantes的光譜儀在VCSEL的許多常規(guī)測(cè)試中可以替代昂貴的光譜分析儀(OSA)。由于目前生產(chǎn)的大多數(shù)VCSEL都是位于近紅外波段,因此Avantes的光譜儀都會(huì)采用閃耀波長(zhǎng)在近紅外波段的高分辨率光柵(12001800線對(duì)數(shù))。被測(cè)VCSEL的高固有功率允許光譜儀使用510微米的狹縫以達(dá)到高的分辨率,但可能會(huì)導(dǎo)致一定程度上的信號(hào)衰減。Avantes光譜儀被客戶稱贊的主要優(yōu)勢(shì)包括高分辨率,高像素?cái)?shù),軟件易于集成以及的靈敏度,這樣才可以實(shí)現(xiàn)高速測(cè)試。

 

在這個(gè)應(yīng)用中,Avantes光譜儀被用于測(cè)量VCSEL的各種典型參數(shù),包括光譜峰值波長(zhǎng),質(zhì)心波長(zhǎng),側(cè)模抑制比,半高全寬(FWHM)和RMS光譜帶寬。一些VCSEL采用脈沖工作模式,這時(shí)AvaSpec光譜儀的極的時(shí)序測(cè)量能力使之非常適合測(cè)量這種類型的VCSEL。 AS5216 USB2電路板和AS7010 USB3 /以太網(wǎng)電路板都能夠發(fā)送TTL信號(hào)或接收TTL外觸發(fā)信號(hào),以控制采集脈沖信號(hào)的時(shí)序參數(shù)。

Avantes還有多樣的采集附件用于VCSEL測(cè)量,除了標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線外,還有余弦校正器和積分球,可以針對(duì)各種尺寸和功率的VCSEL提供其發(fā)光特性的測(cè)試方案。

 

結(jié)論

Avantes光譜儀提供了可替代OSA光譜分析儀的低成本VCSEL測(cè)試解決方案。AvaSpec光譜儀的高分辨率、高靈敏度和高速測(cè)量特性使它非常適合于VCSEL測(cè)量,AvantesDLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以非常容易地集成到VCSEL的生產(chǎn)軟件中。如果您想了解為什么這么多VCSEL和半導(dǎo)體生產(chǎn)商和集成商都選用Avantes的光譜儀,請(qǐng)聯(lián)系Avantes China公司。

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