光谱学在VCSEL技术发展中的应用

垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有超越发光二极管（LED）和边缘发射激光器（EEL）的多个优点，因而在近期的许多技术提升中发挥了重要作用，并且总有新的应用被发现。VCSEL集成商和制造商对VCSEL进行测试时需要具有高分辨率，高速触发响应和较短积分时间的光谱仪。 Avantes是能够支持 VCSEL检测技术的光谱仪供应商。

VCSEL结构简介

垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种基于半导体技术的光源，可以采用分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）等标准薄膜沉积技术在砷化镓（GaAs）晶片上沉积薄膜来进行大规模生产，VCSEL从其上表面发射相干光束。

VCSEL由平行于晶片表面的两个高反射分布式布拉格反射镜（DBR）组成，该反射镜由高低折射率层交替制成，能够产生较强反射。DBR通常被掺杂以形成二极管结，并用于传递载波信号到达有源区域中产生受激辐射（激光）。

有源激光介质的作用是提供光反馈并放大反射基质之间振荡的光。在某个电流值下，往返增益会大于往返损耗，此时载波信号就会穿过有源激光介质形成激光。 由于VCSEL垂直取向的增益区域比其他半导体激光器所需的增益区域小，因此VCSEL激光器产生激光传播的阈值电流就会低，所以具有低折射率的DBR可以用于耦合相干光发射。

VCSEL 的优势

与边缘发射激光器相比，VCSEL激光器的垂直腔设计具有几个优点。 边缘发射激光器在沉积工艺完成并从晶片上模切成器件之前是不能进行测试的。 一旦晶片或薄膜中存在缺陷，就会浪费制造时间和材料。 而VCSEL不但可以使用普通半导体薄膜沉积方法进行大批量生产，而且可以在生产的各个阶段进行测试，包括对整个晶片进行测试，这样就可以在一个三英寸晶片上同时对上千个VCSEL进行测试，从而提高了生产效率，并降低了生产成本（Finisar myvcsels.com）。

VCSEL设计的另一个好处是能够将多个元件联结成二维阵列以增加输出功率，同时其较大的输出孔径所带来的较小发散角还可以使它更好地与光纤耦合。

由于采用分布式布拉格反射器（DBR）而导致的产生激光传播的阈值电流的降低，使VCSEL能够实现高功率输出，而且相比其他激光器/发光器件会消耗更低的功率。波长可调性是VCSEL的另一个特征，它是借助于微电子系统的帮助来调节有源区中反射层的厚度来实现的。

当前VCSEL技术的应用

自从VCSEL推出的40年里，已经在数百个行业和市场中找到了无数的应用，今天我们的周围到处都是VCSEL。 VCSEL关键功能之一是信号处理，具体可以表现为通信或传感。

Pulse oximeter
By Quinn Dombrowski from Berkeley, USA
[CC BY-SA 2.0 ], via Wikimedia Commons

光纤通信在很大程度上依赖于在1310nm和1550nm波段VCSEL的信号处理能力，用于提供形成电磁载波的光脉冲，在调制后来携带电话，电缆和因特网（Larson）的信号。

很多人都非常熟悉的VCSEL用途是计算机上的激光鼠标（VCSEL Wiki），另外一些常见的应用包括激光打印机，微型原子钟，移动设备中的面部识别以及装备VCSEL的车辆的防撞系统（VCSEL Wiki）。

VCSEL的未来

美国圣母大学电气工程系的Kitsmiller，Dummer，Johnson等人研究了使用近红外可调谐VCSEL的频域漫射光谱（fd-DOS）技术，并开发了小型化可进行高分辨率深部组织扫描的非侵入式生物医学成像系统。随着无损检测技术的进步，特别是可穿戴传感器在技术上受到商用化微型光源的限制，该微型光源需要能够在650-1350nm之间的第一生物诊断窗口中产生相干的近红外光。 增加光谱信息可以提高测量精度、空间分辨率和灵敏度，但增加额外的激光器或LED组件则会扩大系统的尺寸和复杂性，从而与开发手持式和可穿戴传感器及监控设备的目标相悖，而VCSEL则解决了这个问题。

Avantes光谱仪在 VCSEL 生产和测试中的应用

很多VCSEL制造商和集成商都使用Avantes公司的AvaSpec光谱仪来测试VCSEL的性能，通常AvaSpec-ULS3648-USB2，AvaSpec-ULS4096CL-EVO和新型Mini4096CL这三款光谱仪被用于VCSEL测试。许多客户发现Avantes的光谱仪在VCSEL的许多常规测试中可以替代昂贵的光谱分析仪（OSA）。由于目前生产的大多数VCSEL都是位于近红外波段，因此Avantes的光谱仪都会采用闪耀波长在近红外波段的高分辨率光栅（1200或1800线对数）。被测VCSEL的高固有功率允许光谱仪使用5或10微米的狭缝以达到高分辨率，但可能会导致一定程度上的信号衰减。Avantes光谱仪被客户称赞的主要优势包括高分辨率，高灵敏度，高像素数，软件易于集成，可以实现高速测试。

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

在这个应用中，Avantes光谱仪被用于测量VCSEL的各种典型参数，包括光谱峰值波长，质心波长，边模抑制比，半高全宽（FWHM）和RMS光谱带宽。一些VCSEL采用脉冲工作模式，这时AvaSpec光谱仪的时序测量能力使之适合测量这种类型的VCSEL。 AS5216 USB2电路板和AS7010 USB3 /以太网电路板都能够发送TTL信号或接收TTL外触发信号，以控制采集脉冲信号的时序参数。

Avantes还有多样的采集附件用于VCSEL测量，除了标准光纤跳线外，还有余弦校正器和积分球，可以针对各种尺寸和功率的VCSEL提供其发光特性的测试方案。

结论

Avantes光谱仪提供了可替代OSA光谱分析仪的低成本VCSEL测试解决方案。AvaSpec光谱仪的高分辨率、高灵敏度和高速测量特性使它非常适合于VCSEL测量，Avantes的DLL动态链接库可以集成到VCSEL的生产软件中。如果您想了解为什么VCSEL和半导体生产商和集成商选用Avantes的光谱仪，请联系Avantes China公司。