光譜學(xué)在VCSEL技術(shù)發(fā)展中的應用

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

VCSEL結構簡(jiǎn)介

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種基于半導體技術(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）等標準薄膜沉積技術(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)生較強反射。DBR通常被摻雜以形成二極管結，并用于傳遞載波信號到達有源區域中產(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垂直取向的增益區域比其他半導體激光器所需的增益區域小，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

與邊緣發(fā)射激光器相比，VCSEL激光器的垂直腔設計具有幾個(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)行測試的。 一旦晶片或薄膜中存在缺陷，就會(huì )浪費制造時(shí)間和材料。 而VCSEL不但可以使用普通半導體薄膜沉積方法進(jìn)行大批量生產(chǎn)，而且可以在生產(chǎn)的各個(gè)階段進(jìn)行測試，包括對整個(gè)晶片進(jìn)行測試，這樣就可以在一個(gè)三英寸晶片上同時(shí)對上千個(gè)VCSEL進(jìn)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設計的另一個(gè)好處是能夠將多個(gè)元件聯(lián)結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）而導致的產(chǎn)生激光傳播的閾值電流的降低，使VCSEL能夠實(shí)現高功率輸出，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(cháng)可調性是VCSEL的另一個(gè)特征，它是借助于微電子系統的幫助來(lái)調節有源區中反射層的厚度來(lái)實(shí)現的。

當前VCSEL技術(shù)的應用

自從VCSEL推出的40年里，已經(jīng)在數百個(gè)行業(yè)和市場(chǎng)中找到了無(wú)數的應用，今天我們的周?chē)教幎际荲CSEL。 VCSEL關(guān)鍵功能之一是信號處理，具體可以表現為通信或傳感。

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(lài)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，在調制后來(lái)攜帶電話(huà)，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（VCSEL Wiki），另外一些常見(jiàn)的應用包括激光打印機，微型原子鐘，移動(dòng)設備中的面部識別以及裝備VCSEL的車(chē)輛的防撞系統（VCSEL Wiki）。

VCSEL的未來(lái)

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諧VCSEL的頻域漫射光譜（fd-DOS）技術(shù)，并開(kāi)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學(xué)成像系統。隨著(zhù)無(wú)損檢測技術(shù)的進(jìn)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(huì )擴大系統的尺寸和復雜性，從而與開(kāi)發(fā)手持式和可穿戴傳感器及監控設備的目標相悖，而VCSEL則解決了這個(gè)問(wèn)題。

Avantes光譜儀在 VCSEL 生產(chǎn)和測試中的應用

很多VCSEL制造商和集成商都使用Avantes公司的AvaSpec光譜儀來(lái)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(hù)發(fā)現Avantes的光譜儀在VCSEL的許多常規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(cháng)在近紅外波段的高分辨率光柵（1200或1800線(xiàn)對數）。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(huì )導致一定程度上的信號衰減。Avantes光譜儀被客戶(hù)稱(chēng)贊的主要優(yōu)勢包括高分辨率，高靈敏度，高像素數，軟件易于集成，可以實(shí)現高速測試。

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

在這個(gè)應用中，Avantes光譜儀被用于測量VCSEL的各種典型參數，包括光譜峰值波長(cháng)，質(zhì)心波長(cháng)，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(shí)AvaSpec光譜儀的時(shí)序測量能力使之適合測量這種類(lèi)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(shí)序參數。

Avantes還有多樣的采集附件用于VCSEL測量，除了標準光纖跳線(xiàn)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(dòng)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和半導體生產(chǎn)商和集成商選用Avantes的光譜儀，請聯(lián)系Avantes China公司。