光譜學在VCSEL測量中的應用

垂直腔面發射激光器(qì)（VCSEL）具有(yǒu)超越發光二極管（LED）和(hé)邊緣發射激光器(qì)（EEL）的多(duō)個(gè)優點，因而在近的許多(duō)技術提升中發揮了重要作(zuò)用，并且每天都有(yǒu)新的應用被發現。VCSEL集成商和(hé) 對VCSEL進行(xíng)測試時(shí)需要具有(yǒu)高(gāo)分辨率，高(gāo)速觸發響應和(hé)較短(duǎn)積分時(shí)間(jiān)的光譜儀。 Avantes是值得(de)信賴的能夠支持 VCSEL檢測技術的光譜儀供應商。

VCSEL結構簡介

垂直腔面發射激光器(qì)（VCSEL）是一種基于半導體(tǐ)技術的光源，可(kě)以采用分子束外延（MBE）或金屬有(yǒu)機化學氣相沉積（MOCVD）等标準薄膜沉積技術在砷化镓（GaAs）晶片上(shàng)沉積薄膜來(lái)進行(xíng)大(dà)規模生(shēng)産，VCSEL從其上(shàng)表面發射相幹光束。VCSEL由平行(xíng)于晶片表面的兩個(gè)高(gāo)反射分布式布拉格反射鏡（DBR）組成，該反射鏡由高(gāo)低(dī)折射率層交替制(zhì)成，能夠産生(shēng)較強反射。DBR通(tōng)常被摻雜以形成二極管結，并用于傳遞載波信号到達有(yǒu)源區(qū)域中産生(shēng)受激輻射（激光）。

有(yǒu)源激光介質的作(zuò)用是提供光反饋并放大(dà)反射基質之間(jiān)振蕩的光。在某個(gè)電(diàn)流值下，往返增益會(huì)大(dà)于往返損耗，此時(shí)載波信号就會(huì)穿過有(yǒu)源激光介質形成激光。 由于VCSEL垂直取向的增益區(qū)域比其他半導體(tǐ)激光器(qì)所需的增益區(qū)域小(xiǎo)，因此VCSEL激光器(qì)産生(shēng)激光傳播的阈值電(diàn)流就會(huì)低(dī)，所以具有(yǒu)低(dī)折射率的DBR可(kě)以用于耦合相幹光發射。

VCSEL 的優勢

與邊緣發射激光器(qì)相比，VCSEL激光器(qì)的垂直腔設計具有(yǒu)幾個(gè)優點。 邊緣發射激光器(qì)在沉積工藝完成并從晶片上(shàng)模切成器(qì)件之前是不能進行(xíng)測試的。 一旦晶片或薄膜中存在缺陷，就會(huì)浪費制(zhì)造時(shí)間(jiān)和(hé)材料。 而VCSEL不但(dàn)可(kě)以使用普通(tōng)半導體(tǐ)薄膜沉積方法進行(xíng)大(dà)批量生(shēng)産，而且可(kě)以在生(shēng)産的各個(gè)階段進行(xíng)測試，包括對整個(gè)晶片進行(xíng)測試，這樣就可(kě)以在一個(gè)三英寸晶片上(shàng)同時(shí)對上(shàng)千個(gè)VCSEL進行(xíng)測試，從而大(dà)大(dà)提高(gāo)了生(shēng)産效率，并降低(dī)了生(shēng)産成本。

VCSEL設計的另一個(gè)好處是能夠将多(duō)個(gè)元件聯結成二維陣列以增加輸出功率，同時(shí)其較大(dà)的輸出孔徑所帶來(lái)的較小(xiǎo)發散角還(hái)可(kě)以使它更好地與光纖耦合。

由于采用分布式布拉格反射器(qì)（DBR）而導緻的産生(shēng)激光傳播的阈值電(diàn)流的降低(dī)，使VCSEL能夠實現高(gāo)功率輸出，而且相比其他激光器(qì)/發光器(qì)件會(huì)消耗更低(dī)的功率。波長可(kě)調性是VCSEL的另一個(gè)特征，它是借助于微電(diàn)子系統的幫助來(lái)調節有(yǒu)源區(qū)中反射層的厚度來(lái)實現的。

當前VCSEL技術的應用

自從VCSEL推出的40年裏，已經在數百個(gè)行(xíng)業和(hé)市場(chǎng)中找到了無數的應用，今天我們的周圍到處都是VCSEL。 VCSEL關鍵功能之一是信号處理(lǐ)，具體(tǐ)可(kě)以表現為(wèi)通(tōng)信或傳感。

光纖通(tōng)信在很(hěn)大(dà)程度上(shàng)依賴于在1310nm和(hé)1550nm波段VCSEL的信号處理(lǐ)能力，用于提供形成電(diàn)磁載波的光脈沖，在調制(zhì)後來(lái)攜帶電(diàn)話(huà)，電(diàn)纜和(hé)因特網（Larson）的信号。

很(hěn)多(duō)人(rén)都非常熟悉的VCSEL普遍用途之一是計算(suàn)機上(shàng)的激光鼠标（VCSEL Wiki），另外一些(xiē)常見的應用包括激光打印機，微型原子鍾，移動設備中的面部識别以及裝備VCSEL的車(chē)輛(liàng)的防撞系統（VCSEL Wiki）。

VCSEL的未來(lái)

美國聖母大(dà)學電(diàn)氣工程系的Kitsmiller，Dummer，Johnson等人(rén)研究了使用近紅外可(kě)調諧VCSEL的頻域漫射光譜（fd-DOS）技術，并開(kāi)發了小(xiǎo)型化可(kě)進行(xíng)高(gāo)分辨率深部組織掃描的非侵入式生(shēng)物醫(yī)學成像系統。

随着無損檢測技術的，特别是可(kě)穿戴傳感器(qì)在技術上(shàng)受到商用化微型光源的限制(zhì)，該微型光源需要能夠在650-1350nm之間(jiān)的生(shēng)物診斷窗口中産生(shēng)相幹的近紅外光。 增加光譜信息可(kě)以提高(gāo)測量精度、空(kōng)間(jiān)分辨率和(hé)靈敏度，但(dàn)增加額外的激光器(qì)或LED組件則會(huì)擴大(dà)系統的尺寸和(hé)複雜性，從而與開(kāi)發手持式和(hé)可(kě)穿戴傳感器(qì)及監控設備的目标相悖，而VCSEL則地解決了這個(gè)問題。

Avantes光譜儀在VCSEL生(shēng)産和(hé)測試中的應用

很(hěn)多(duō)VCSEL 和(hé)集成商都使用Avantes公司的AvaSpec光譜儀來(lái)測試VCSEL的性能，通(tōng)常AvaSpec-ULS3648-USB2，AvaSpec-ULS4096CL-EVO和(hé)新型Mini4096CL這三款光譜儀被用于VCSEL測試。許多(duō)客戶發現Avantes的光譜儀在VCSEL的許多(duō)常規測試中可(kě)以替代昂貴的光譜分析儀（OSA）。由于目前生(shēng)産的大(dà)多(duō)數VCSEL都是位于近紅外波段，因此Avantes的光譜儀都會(huì)采用閃耀波長在近紅外波段的高(gāo)分辨率光栅（1200或1800線對數）。被測VCSEL的高(gāo)固有(yǒu)功率允許光譜儀使用5或10微米的狹縫以達到高(gāo)的分辨率，但(dàn)可(kě)能會(huì)導緻一定程度上(shàng)的信号衰減。Avantes光譜儀被客戶稱贊的主要優勢包括高(gāo)分辨率，高(gāo)像素數，軟件易于集成以及的靈敏度，這樣才可(kě)以實現高(gāo)速測試。

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，質心波長，側模抑制(zhì)比，半高(gāo)全寬（FWHM）和(hé)RMS光譜帶寬。一些(xiē)VCSEL采用脈沖工作(zuò)模式，這時(shí)AvaSpec光譜儀的極的時(shí)序測量能力使之非常适合測量這種類型的VCSEL。 AS5216 USB2電(diàn)路闆和(hé)AS7010 USB3 /以太網電(diàn)路闆都能夠發送TTL信号或接收TTL外觸發信号，以控制(zhì)采集脈沖信号的時(shí)序參數。

Avantes還(hái)有(yǒu)多(duō)樣的采集附件用于VCSEL測量，除了标準光纖跳(tiào)線外，還(hái)有(yǒu)餘弦校(xiào)正器(qì)和(hé)積分球，可(kě)以針對各種尺寸和(hé)功率的VCSEL提供其發光特性的測試方案。

結論

Avantes光譜儀提供了可(kě)替代OSA光譜分析儀的低(dī)成本VCSEL測試解決方案。AvaSpec光譜儀的高(gāo)分辨率、高(gāo)靈敏度和(hé)高(gāo)速測量特性使它非常适合于VCSEL測量，Avantes的DLL動态鏈接庫可(kě)以非常容易地集成到VCSEL的生(shēng)産軟件中。如果您想了解為(wèi)什麽這麽多(duō)VCSEL和(hé)半導體(tǐ)生(shēng)産商和(hé)集成商都選用Avantes的光譜儀，請(qǐng)聯系Avantes China公司。

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