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(jìn)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(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(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(jìn)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(jìn)行大批量生產(chǎn)，而且可以在生產(chǎn)的各個階段進(jìn)行測試，包括對整個晶片進(jìn)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(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(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(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(dá)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。