光譜學(xué)在VCSEL技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用

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）的多個優(yōu)點，因而在近期的許多技術(shù)提升中發(fā)揮了重要作用，并且總有新的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)。VCSEL集成商和制造商對VCSEL進行測試時需要具有高分辨率，高速觸發(fā)響應(yīng)和較短積分時間的光譜儀。 Avantes是能夠支持 VCSEL檢測技術(shù)的光譜儀供應(yīng)商。

VCSEL結(jié)構(gòu)簡介

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）晶片上沉積薄膜來進行大規(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到達有源區(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。在某個電流值下，往返增益會大于往返損耗，此時載波信號就會穿過有源激光介質(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

與邊緣發(fā)射激光器相比，VCSEL激光器的垂直腔設(shè)計具有幾個優(yōu)點。 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行測試的。 一旦晶片或薄膜中存在缺陷，就會浪費制造時間和材料。 而VCSEL不但可以使用普通半導(dǎo)體薄膜沉積方法進行大批量生產(chǎn)，而且可以在生產(chǎn)的各個階段進行測試，包括對整個晶片進行測試，這樣就可以在一個三英寸晶片上同時對上千個VCSEL進行測試，從而提高了生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)成本（Finisar myvcsels.com）。

VCSEL設(shè)計的另一個好處是能夠?qū)⒍鄠€元件聯(lián)結(jié)成二維陣列以增加輸出功率，同時其較大的輸出孔徑所帶來的較小發(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)光器件會消耗更低的功率。波長可調(diào)性是VCSEL的另一個特征，它是借助于微電子系統(tǒng)的幫助來調(diào)節(jié)有源區(qū)中反射層的厚度來實現(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)百個行業(yè)和市場中找到了無數(shù)的應(yīng)用，今天我們的周圍到處都是VCSEL。 VCSEL關(guān)鍵功能之一是信號處理，具體可以表現(xiàn)為通信或傳感。

Pulse oximeter
By Quinn Dombrowski from Berkeley, USA
[CC BY-SA 2.0 ], via Wikimedia Commons

光纖通信在很大程度上依賴于在1310nm和1550nm波段VCSEL的信號處理能力，用于提供形成電磁載波的光脈沖，在調(diào)制后來攜帶電話，電纜和因特網(wǎng)（Larson）的信號。

很多人都非常熟悉的VCSEL用途是計算機上的激光鼠標(biāo)（VCSEL Wiki），另外一些常見的應(yīng)用包括激光打印機，微型原子鐘，移動設(shè)備中的面部識別以及裝備VCSEL的車輛的防撞系統(tǒng)（VCSEL Wiki）。

VCSEL的未來

美國圣母大學(xué)電氣工程系的Kitsmiller，Dummer，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)。隨著無損檢測技術(shù)的進步，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之間的第一生物診斷窗口中產(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組件則會擴大系統(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則解決了這個問題。

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

很多VCSEL制造商和集成商都使用Avantes公司的AvaSpec光譜儀來測試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測試。許多客戶發(fā)現(xiàn)Avantes的光譜儀在VCSEL的許多常規(guī)測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的光譜儀都會采用閃耀波長在近紅外波段的高分辨率光柵（1200或1800線對數(shù)）。被測VCSEL的高固有功率允許光譜儀使用5或10微米的狹縫以達到高分辨率，但可能會導(dǎo)致一定程度上的信號衰減。Avantes光譜儀被客戶稱贊的主要優(yōu)勢包括高分辨率，高靈敏度，高像素數(shù)，軟件易于集成，可以實現(xiàn)高速測試。

Wafer Probing By MarTek, Inc. [CC BY-SA 3.0 ],
via Wikimedia Commons

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

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

結(jié)論

Avantes光譜儀提供了可替代OSA光譜分析儀的低成本VCSEL測試解決方案。AvaSpec光譜儀的高分辨率、高靈敏度和高速測量特性使它非常適合于VCSEL測量，Avantes的DLL動態(tài)鏈接庫可以集成到VCSEL的生產(chǎn)軟件中。如果您想了解為什么VCSEL和半導(dǎo)體生產(chǎn)商和集成商選用Avantes的光譜儀，請聯(lián)系A(chǔ)vantes China公司。