光譜學在VCSEL技術發展中的應用

垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有超越發光二極管（LED）和邊緣發射激光器（EEL）的多個優點，因而在近期的許多技術提升中發揮了重要作用，并且總有新的應用被發現。VCSEL集成商和制造商對VCSEL進行測試時需要具有高分辨率，高速觸發響應和較短積分時間的光譜儀。 Avantes是能夠支持 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（VCSEL）是一種基于半導體技術的光源，可以采用分子束外延（MBE）或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等標準薄膜沉積技術在砷化鎵（GaAs）晶片上沉積薄膜來進行大規模生產，VCSEL從其上表面發射相干光束。

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生受激輻射（激光）。

有源激光介質的作用是提供光反饋并放大反射基質之間振蕩的光。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射。

VCSEL 的優勢

與邊緣發射激光器相比，VCSEL激光器的垂直腔設計具有幾個優點。 邊緣發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體薄膜沉積方法進行大批量生產，而且可以在生產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，從而提高了生產效率，并降低了生產成本（Finisar myvcsels.com）。

VCSEL設計的另一個好處是能夠將多個元件聯結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）而導致的產生激光傳播的閾值電流的降低，使VCSEL能夠實現高功率輸出，而且相比其他激光器/發光器件會消耗更低的功率。波長可調性是VCSEL的另一個特征，它是借助于微電子系統的幫助來調節有源區中反射層的厚度來實現的。

當前VCSEL技術的應用

自從VCSEL推出的40年里，已經在數百個行業和市場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，在調制后來攜帶電話，電纜和因特網（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），另外一些常見的應用包括激光打印機，微型原子鐘，移動設備中的面部識別以及裝備VCSEL的車輛的防撞系統（VCSEL Wiki）。

VCSEL的未來

美國圣母大學電氣工程系的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，并開發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學成像系統。隨著無損檢測技術的進步，特別是可穿戴傳感器在技術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組件則會擴大系統的尺寸和復雜性，從而與開發手持式和可穿戴傳感器及監控設備的目標相悖，而VCSEL則解決了這個問題。

Avantes光譜儀在 VCSEL 生產和測試中的應用

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）。由于目前生產的大多數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）。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，但可能會導致一定程度上的信號衰減。Avantes光譜儀被客戶稱贊的主要優勢包括高分辨率，高靈敏度，高像素數，軟件易于集成，可以實現高速測試。

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

在這個應用中，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，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 /以太網電路板都能夠發送TTL信號或接收TTL外觸發信號，以控制采集脈沖信號的時序參數。

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動態鏈接庫可以集成到VCSEL的生產軟件中。如果您想了解為什么VCSEL和半導體生產商和集成商選用Avantes的光譜儀，請聯系Avantes China公司。