Спектроскопия в развитии технологии VCSEL

Обладая рядом преимуществ перед светоизлучающими диодами (LED) и лазерами с торцевым излучением (EEL), поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) играет важную роль во многих последних технологических достижениях. Для тестирования VCSEL производителям этих устройств требуются оптические спектрометры с высоким разрешением, высокой скоростью срабатывания и малым временем интеграции. 

Введение в структуру

Рисунок 1. Схематическое изображение работы поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором

Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором представляет из себя источник света на основе полупроводника, который выращивается в массовом производстве с использованием стандартных методов осаждения тонких пленок. Примерами таких методов могут служить молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или химическое осаждение из газовой фазы путём термического разложения металлоорганических соединений (MOCVD) для получения пленок на основе арсенида галлия (GaAs). Стоит отметить, что VCSEL является когерентным источником света.
Структура состоит из двух зеркал с распределенным брэгговским отражателем (DBF) с высокой степенью отражения, зеркала параллельны поверхности пластины и состоят из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, за счет этого обеспечивается высокая интенсивность отражательной способности. DBF обычно легируют для образования диодного перехода и используют в качестве передачи несущего сигнала для возбуждения излучения в активной области.
Несущий сигнал проходит через активную среду лазера, которая обеспечивает оптическую обратную связь и усиливает сигнал между отражающими матрицами, вызывая распространение лазерного излучения, это возможно при таком токе, при котором усиление при передаче излучения в оба конца больше, чем потери в обоих направлениях. Поскольку вертикальная область усиления конструкции VCSEL короче, чем у других полупроводниковых лазеров, лазеры VCSEL имеют низкий пороговый ток для распространения лазерного излучения. 

Преимущество VCSEL
Вертикальная конструкция VCSEL имеет ряд преимуществ перед торцевыми излучателями. Лазер с торцевым излучением не может быть протестирован до тех пор, пока процессы осаждения тонких пленок не будут завершены и элементы не будут сняты с пластины. Если есть дефекты на пластине или тонких пленках, время производства и материалы будут потрачены впустую. С другой стороны, VCSEL могут производиться серийно с использованием обычных методов осаждения тонких пленок, поэтому лазер может быть протестирован на различных этапах производства, включая тестирование всей пластины. Это приводит к повышению эффективности производства и снижению затрат. 
Еще одним преимуществом конструкции VCSEL является возможность соединения нескольких резонаторов в двумерные массивы для увеличения выходной мощности, а большая выходная апертура обеспечивает меньший угол расходимости выходного пучка для лучшей связи с оптическими волокнами.
VCSEL обладают высокой выходной мощностью, но при этом потребляют меньше энергии, чем другие лазеры/светоизлучающие устройства из-за размещения распределенных брэгговских отражателей (DBF), использование которых снижает пороговый ток распространения излучения лазера. Возможность настройки длины волны, которая характерна для VCSEL, достигается путем регулировки толщины отражающих слоев в активной области с помощью микроэлектромеханических систем.

Рисунок 2. Система молекулярно-лучевой эпитаксии

Текущие приложения с использованием технологии VCSEL
За 40 лет, прошедших с момента появления VCSEL, они использовались в бесчисленном множестве приложений, на промышленных и коммерческих рынках, и сегодня VCSEL повсюду. Одна из ключевых функций этих устройств – обработка сигналов, в частном случае их считывание.
Эффективность волоконно-оптической связи в значительной степени зависит от мощности обработки сигналов VCSEL, который излучает в диапазоне 1310 нм и 1550 нм, для передачи квантов света, формирующих электромагнитную несущую волну, которую впоследствии можно модулировать, чтобы было возможно передавать сигнал по кабелям, в телефонии и в Интернете.
Одно из наиболее распространенных применений VCSEL — это лазерная мышка компьютера. Другие примеры распространенных приложений VCSEL — это лазерные принтеры, компактные атомные часы, распознавание лиц в мобильных устройствах и системы предотвращения столкновений в транспортных средствах.

Рисунок 3. Медицинский контрольно-диагностический прибор для неинвазивного измерения уровня насыщения кислородом капиллярной крови

Будущее VCSEL
Ученые из университета Нотр-Дама с кафедры электротехники Китсмиллер, Даммер, Джонсон исследовали применение диффузной оптической спектроскопии во временной области (fd-DOS) с использованием настраиваемых лазеров VCSEL в ближнем инфракрасном диапазоне для разработки компактной системы высокого разрешения для сканирования глубоких тканей при неинвазивной биомедицинской визуализации.
Достижения в области неинвазивного мониторинга, особенно в носимых устройствах, были технологически ограничены коммерческой доступностью небольших источников света, работающих в диапазоне 650-1350 нм и излучающих когерентный свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Добавление дополнительных источников излучения может повысить точность, пространственное разрешение и чувствительность, но увеличивается размер и сложность системы. Поэтому возникает сложность разработки портативных носимых датчиков и устройств мониторинга.

Спектрометры Avantes в производстве и испытаниях VCSEL
Инструменты Avantes AvaSpec используются различными производителями и интеграторами VCSEL для тестирования производительности этих устройств. AvaSpec-ULS3648, AvaSpec-ULS4096CL-EVO и Mini4096CL три спектрометра, которые обычно используются в VCSEL технологии. Многие клиенты сочли наши приборы приемлемой заменой гораздо более дорогостоящих анализаторов оптического спектра (OSA) в тестировании VCSEL. 
Поскольку многие выпускаемые сегодня лазеры VCSEL излучают в ближнем инфракрасном диапазоне, обычные конфигурации этих приборов имеют решетки с высоким разрешением (1200 или 1800 штрихов/мм). Мощность тестируемых устройств позволяет использовать щели размером 5 или 10 микрон, обеспечивая максимально возможное разрешение, но это может привести к ослаблению сигнала. Некоторые из ключевых преимуществ этих приборов, о которых говорят клиенты, — это высокое разрешение, простая интеграция программного обеспечения и соответствующая чувствительность, позволяющая обеспечить высокую скорость такта для тестирования.
Спектрометры Avantes используются в этом приложении для измерения множества типичных параметров VCSEL, включая длину волны центрального пика, положение центроида пика, коэффициент подавления боковых мод, полуширину (FWHM) и среднеквадратичную спектральную полосу пропускания. Поскольку некоторые VCSEL работают в импульсном режиме, линейка приборов AvaSpec хорошо подходит для работы с этим типом источника. Платы AS5216 USB2 и AS7010 USB3/Ethernet могут отправлять или принимать внешние сигналы с помощью TTL триггеров для управления окном интеграции импульсного сигнала. 
В интерфейсе устройства линейка оптических принадлежностей для отбора проб Avantes, включая косинусные корректоры и интегрирующие сферы, а также наши оптоволоконные патч-корды. Данные устройства обеспечивают сбор светового излучения от VCSEL независимо от размера или мощности устройств.

Рисунок 4. Наглядный пример зондирования печатных плат

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ