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光(guang)譜(pu)學在VCSEL測(ce)量中的(de)應(ying)用
垂直腔(qiang)面發射激光器(qi)（VCSEL）具有(you)超(chao)越發光二(er)極管（LED）和邊(bian)緣發射激光器(qi)（EEL）的(de)多(duo)個(ge)優點，因(yin)而(er)在近的(de)許(xu)多(duo)技(ji)術提升(sheng)中發揮(hui)了重(zhong)要(yao)作用，並(bing)且(qie)每(mei)天都有(you)新的(de)應(ying)用被(bei)發現。VCSEL集(ji)成(cheng)商和 對VCSEL進行(xing)測(ce)試時需要(yao)具有(you)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)，高(gao)速(su)觸(chu)發響(xiang)應和較(jiao)短(duan)積分時間(jian)的(de)光(guang)譜(pu)儀。 Avantes是值得(de)信賴(lai)的(de)能(neng)夠(gou)支持 VCSEL檢測(ce)技(ji)術的(de)光(guang)譜(pu)儀供(gong)應(ying)商。
VCSEL結構簡介(jie)
垂直腔(qiang)面發射激光器(qi)（VCSEL）是壹(yi)種基(ji)於(yu)半導體(ti)技(ji)術的(de)光(guang)源(yuan)，可(ke)以采(cai)用分子(zi)束(shu)外延(yan)（MBE）或金(jin)屬(shu)有(you)機(ji)化(hua)學(xue)氣相沈(chen)積（MOCVD）等標準薄(bo)膜沈積(ji)技(ji)術在砷化(hua)鎵（GaAs）晶(jing)片上(shang)沈(chen)積(ji)薄膜來進(jin)行大規模(mo)生產，VCSEL從(cong)其上(shang)表面發射相幹(gan)光束(shu)。VCSEL由平(ping)行於(yu)晶(jing)片表面的(de)兩(liang)個(ge)高(gao)反(fan)射(she)分(fen)布式(shi)布(bu)拉格(ge)反射(she)鏡（DBR）組成(cheng)，該反射(she)鏡由(you)高(gao)低(di)折(zhe)射(she)率(lv)層(ceng)交(jiao)替制(zhi)成，能(neng)夠(gou)產生較強反(fan)射。DBR通(tong)常被(bei)摻(chan)雜以形成二(er)極管結，並(bing)用於(yu)傳(chuan)遞(di)載波(bo)信(xin)號(hao)到(dao)達有(you)源(yuan)區(qu)域中產生受激輻射(she)（激(ji)光）。
有(you)源(yuan)激光介(jie)質(zhi)的(de)作用是提供(gong)光反饋(kui)並(bing)放(fang)大反射(she)基(ji)質(zhi)之間(jian)振(zhen)蕩(dang)的(de)光(guang)。在某(mou)個(ge)電流(liu)值下，往(wang)返(fan)增(zeng)益會大於(yu)往(wang)返(fan)損(sun)耗，此時(shi)載波(bo)信(xin)號(hao)就(jiu)會穿(chuan)過(guo)有(you)源(yuan)激光介(jie)質(zhi)形成(cheng)激(ji)光。 由於(yu)VCSEL垂直取向的(de)增(zeng)益區(qu)域比其他半導體(ti)激光(guang)器(qi)所(suo)需的(de)增(zeng)益區(qu)域小，因(yin)此VCSEL激光(guang)器(qi)產(chan)生激光傳(chuan)播的(de)閾(yu)值電流(liu)就(jiu)會低，所以(yi)具有(you)低(di)折(zhe)射(she)率(lv)的(de)DBR可(ke)以用於(yu)耦合相幹(gan)光發射。
VCSEL 的(de)優勢(shi)
與(yu)邊緣發射激光器(qi)相(xiang)比，VCSEL激光(guang)器(qi)的(de)垂直腔(qiang)設計(ji)具有(you)幾個(ge)優點。 邊緣發射激光器(qi)在沈(chen)積工藝完(wan)成並(bing)從(cong)晶(jing)片上(shang)模(mo)切(qie)成器(qi)件(jian)之前是不(bu)能(neng)進(jin)行測(ce)試的(de)。 壹(yi)旦晶(jing)片或(huo)薄(bo)膜中存(cun)在缺陷，就(jiu)會浪費(fei)制(zhi)造(zao)時間(jian)和(he)材料。 而(er)VCSEL不(bu)但(dan)可(ke)以使用普通(tong)半導體(ti)薄膜沈積(ji)方(fang)法(fa)進行大批(pi)量生產，而(er)且(qie)可(ke)以在生產的(de)各(ge)個(ge)階(jie)段進行測(ce)試，包(bao)括對整個(ge)晶(jing)片進(jin)行(xing)測(ce)試，這樣(yang)就(jiu)可(ke)以在壹(yi)個(ge)三英寸(cun)晶(jing)片上(shang)同時對上千個(ge)VCSEL進行(xing)測(ce)試，從(cong)而(er)大大提高(gao)了生產效率(lv)，並(bing)降(jiang)低了生產成本。
VCSEL設計(ji)的(de)另(ling)壹(yi)個(ge)好處是(shi)能(neng)夠(gou)將多(duo)個(ge)元(yuan)件(jian)聯結(jie)成二(er)維(wei)陣(zhen)列以(yi)增加輸(shu)出功率(lv)，同時其較大的(de)輸(shu)出孔(kong)徑(jing)所(suo)帶來的(de)較(jiao)小(xiao)發散(san)角(jiao)還可(ke)以使它(ta)更(geng)好(hao)地與(yu)光纖(xian)耦合。
由於(yu)采(cai)用分布(bu)式(shi)布(bu)拉格(ge)反射(she)器(qi)（DBR）而(er)導(dao)致(zhi)的(de)產(chan)生激光傳(chuan)播的(de)閾(yu)值電流(liu)的(de)降(jiang)低(di)，使VCSEL能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)高(gao)功率(lv)輸(shu)出，而(er)且(qie)相(xiang)比其他激光(guang)器(qi)/發光器(qi)件(jian)會消(xiao)耗更(geng)低(di)的(de)功率(lv)。波(bo)長(chang)可(ke)調性(xing)是(shi)VCSEL的(de)另(ling)壹(yi)個(ge)特征(zheng)，它是(shi)借助於(yu)微(wei)電子(zi)系(xi)統的(de)幫助來(lai)調(tiao)節(jie)有(you)源(yuan)區(qu)中(zhong)反射層的(de)厚(hou)度來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。
當(dang)前VCSEL技(ji)術的(de)應(ying)用
自從(cong)VCSEL推出的(de)40年(nian)裏(li)，已(yi)經在數百(bai)個(ge)行業(ye)和市(shi)場中找到(dao)了無(wu)數的(de)應(ying)用，今(jin)天我們(men)的(de)周(zhou)圍(wei)到(dao)處都(dou)是(shi)VCSEL。 VCSEL關鍵(jian)功能(neng)之(zhi)壹(yi)是信(xin)號(hao)處理(li)，具體可(ke)以表現為通(tong)信(xin)或(huo)傳(chuan)感(gan)。
光纖(xian)通(tong)信(xin)在很(hen)大程度上(shang)依(yi)賴(lai)於(yu)在1310nm和1550nm波(bo)段VCSEL的(de)信(xin)號(hao)處理(li)能(neng)力(li)，用於(yu)提供(gong)形成電磁(ci)載波(bo)的(de)光(guang)脈(mai)沖(chong)，在調(tiao)制後(hou)來攜(xie)帶電話，電纜(lan)和(he)因(yin)特網（Larson）的(de)信(xin)號(hao)。
很多(duo)人都非(fei)常熟悉(xi)的(de)VCSEL普遍(bian)用途之(zhi)壹(yi)是計(ji)算(suan)機上(shang)的(de)激(ji)光(guang)鼠標(biao)（VCSEL Wiki），另外壹(yi)些常見(jian)的(de)應(ying)用包(bao)括激光(guang)打印(yin)機(ji)，微(wei)型(xing)原(yuan)子鐘(zhong)，移(yi)動設備(bei)中(zhong)的(de)面部(bu)識(shi)別以及(ji)裝(zhuang)備(bei)VCSEL的(de)車(che)輛的(de)防撞(zhuang)系(xi)統（VCSEL Wiki）。
VCSEL的(de)未來(lai)
美(mei)國聖母(mu)大學電氣(qi)工(gong)程系(xi)的(de)Kitsmiller，Dummer，Johnson等人研究了使用近紅外可(ke)調諧VCSEL的(de)頻(pin)域漫(man)射光(guang)譜(pu)（fd-DOS）技(ji)術，並(bing)開發了小(xiao)型(xing)化(hua)可(ke)進行(xing)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)深(shen)部(bu)組織(zhi)掃描的(de)非(fei)侵(qin)入(ru)式生物醫學成像(xiang)系(xi)統。
隨(sui)著無損檢測(ce)技(ji)術的(de)，特別是可(ke)穿(chuan)戴傳(chuan)感(gan)器(qi)在技(ji)術上(shang)受到(dao)商用化(hua)微(wei)型(xing)光(guang)源(yuan)的(de)限(xian)制(zhi)，該微(wei)型(xing)光(guang)源(yuan)需要(yao)能(neng)夠(gou)在650-1350nm之間(jian)的(de)生物診斷(duan)窗口(kou)中(zhong)產生相幹(gan)的(de)近紅外光(guang)。 增加(jia)光譜(pu)信息(xi)可(ke)以提高(gao)測(ce)量精(jing)度、空間(jian)分(fen)辨率(lv)和(he)靈(ling)敏度，但(dan)增(zeng)加額外的(de)激(ji)光(guang)器(qi)或(huo)LED組件(jian)則(ze)會擴大系(xi)統的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)復雜性(xing)，從(cong)而(er)與(yu)開發手(shou)持式和可(ke)穿(chuan)戴傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)監(jian)控(kong)設備(bei)的(de)目(mu)標相(xiang)悖(bei)，而(er)VCSEL則(ze)地解決(jue)了這(zhe)個(ge)問題(ti)。
Avantes光(guang)譜(pu)儀在VCSEL生產和測(ce)試中的(de)應(ying)用
很多(duo)VCSEL 和集(ji)成(cheng)商都使用Avantes公(gong)司的(de)AvaSpec光(guang)譜(pu)儀來(lai)測(ce)試VCSEL的(de)性(xing)能(neng)，通(tong)常AvaSpec-ULS3648-USB2，AvaSpec-ULS4096CL-EVO和(he)新型(xing)Mini4096CL這(zhe)三款光譜(pu)儀被(bei)用於(yu)VCSEL測(ce)試。許(xu)多(duo)客(ke)戶發現Avantes的(de)光(guang)譜(pu)儀在VCSEL的(de)許(xu)多(duo)常規(gui)測(ce)試中可(ke)以替代昂(ang)貴(gui)的(de)光(guang)譜(pu)分析(xi)儀(yi)（OSA）。由(you)於(yu)目(mu)前生產的(de)大多(duo)數VCSEL都(dou)是(shi)位於(yu)近紅外波(bo)段，因(yin)此Avantes的(de)光(guang)譜(pu)儀都(dou)會采(cai)用閃(shan)耀(yao)波(bo)長(chang)在近紅外波(bo)段的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)光(guang)柵(zha)（1200或(huo)1800線(xian)對數）。被(bei)測(ce)VCSEL的(de)高(gao)固有(you)功率(lv)允(yun)許(xu)光(guang)譜(pu)儀使用5或10微(wei)米(mi)的(de)狹(xia)縫以(yi)達到(dao)高(gao)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)，但(dan)可(ke)能(neng)會導致壹(yi)定程(cheng)度上(shang)的(de)信(xin)號(hao)衰減(jian)。Avantes光(guang)譜(pu)儀被(bei)客(ke)戶稱贊(zan)的(de)主(zhu)要(yao)優勢(shi)包(bao)括高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)，高(gao)像(xiang)素(su)數，軟(ruan)件(jian)易(yi)於(yu)集(ji)成(cheng)以及(ji)的(de)靈(ling)敏度，這(zhe)樣(yang)才可(ke)以實(shi)現(xian)高(gao)速(su)測(ce)試。
在這(zhe)個(ge)應用中，Avantes光(guang)譜(pu)儀被(bei)用於(yu)測(ce)量VCSEL的(de)各(ge)種(zhong)典型(xing)參(can)數，包(bao)括光譜(pu)峰值波(bo)長(chang)，質(zhi)心波(bo)長(chang)，側(ce)模(mo)抑制比，半高(gao)全(quan)寬（FWHM）和RMS光(guang)譜(pu)帶寬。壹(yi)些VCSEL采(cai)用脈(mai)沖(chong)工作模式，這(zhe)時AvaSpec光(guang)譜(pu)儀的(de)極(ji)的(de)時(shi)序(xu)測(ce)量能(neng)力(li)使之(zhi)非(fei)常適(shi)合(he)測(ce)量這種類型(xing)的(de)VCSEL。 AS5216 USB2電路板和AS7010 USB3 /以太(tai)網(wang)電路板都能(neng)夠(gou)發送TTL信號(hao)或接(jie)收TTL外觸(chu)發信號(hao)，以控(kong)制采(cai)集(ji)脈(mai)沖(chong)信號(hao)的(de)時(shi)序(xu)參(can)數。
Avantes還有(you)多(duo)樣(yang)的(de)采(cai)集(ji)附件(jian)用於(yu)VCSEL測(ce)量，除了標(biao)準光(guang)纖(xian)跳線(xian)外，還有(you)余(yu)弦校(xiao)正器(qi)和(he)積分球，可(ke)以針(zhen)對各(ge)種(zhong)尺(chi)寸(cun)和(he)功率(lv)的(de)VCSEL提供(gong)其發光特性(xing)的(de)測(ce)試方(fang)案(an)。
結論
Avantes光譜(pu)儀提供(gong)了可(ke)替代OSA光譜(pu)分析(xi)儀(yi)的(de)低(di)成(cheng)本VCSEL測(ce)試解決方(fang)案(an)。AvaSpec光譜(pu)儀的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)、高(gao)靈(ling)敏度和(he)高(gao)速(su)測(ce)量特性(xing)使它(ta)非(fei)常適(shi)合(he)於(yu)VCSEL測(ce)量，Avantes的(de)DLL動態鏈(lian)接(jie)庫可(ke)以非(fei)常容(rong)易(yi)地集(ji)成(cheng)到(dao)VCSEL的(de)生產軟件(jian)中。如果您(nin)想了解(jie)為什(shen)麽這(zhe)麽多(duo)VCSEL和半導體(ti)生產商和集(ji)成(cheng)商都選用Avantes的(de)光(guang)譜(pu)儀，請(qing)聯(lian)系(xi)Avantes China公(gong)司。