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产品详细

产品名称: 垂直腔面发射半导体激光器腔模位置对器件输出

发布日期: 2020-09-07 06:56

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简述:  摘要:为获得高温境况下894.6 nm牢固波长激光输出的笔直腔面发射半导体激光器(VCSEL),安排并制备了腔模名望差别的VCSEL芯片;通过对VCSEL腔模名望、输出波长和温漂系数的测试阐明

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  摘要:为获得高温境况下894.6 nm牢固波长激光输出的笔直腔面发射半导体激光器(VCSEL),安排并制备了腔模名望差别的VCSEL芯片;通过对VCSEL腔模名望、输出波长和温漂系数的测试阐明,考虑了腔模名望对器件输出波长的影响,察觉腔模名望与输出波长具有线性对应合联。安排了腔模名望正在890.5 nm的VCSEL外延片机合,经工艺制备获得了85 ℃高温境况下894.6 nm牢固波长激光输出的VCSEL芯片。试验结果外白,通过调控腔模名望可获得目的波长激光输出的VCSEL芯片,该考虑为研制其他波段牢固波长激光输出的笔直腔面发射激光器奠定了本原。

  笔直腔面发射半导体激光器(VCSEL)以体积小、阈值低、光束质料高、可二维布阵集成等上风吸引了稠密考虑职员的合心,其正在泵浦、光通讯和照明等周围已得到大范围运用。现阶段,VCSEL仍然行为三维传感体系运用于手机上,跟着三维传感、主动驾驶、虚拟实际/加强实际(VR / AR)等一系列运用从观点到市集化的普及,VCSEL的市集需求将会进一步产生。VCSEL正在芯片原子钟的运用考虑中也阐明着要害的功用,芯片原子钟恳求其光源器件VCSEL正在高温劳动境况下达成单模且波长牢固的激光输出。VCSEL的腔模名望对其输出波长具有紧要影响,腔模对应的光学增益由有源区供给,而且腔模的温漂速度小于量子阱增益峰值波长的温漂速度,于是外延质料须要举办腔模与增益失谐的合理安排,使VCSEL的腔模增益正在70 ℃~90 ℃温度区间内维持较高水准,以确保器件牢固的激射机能。

  对VCSEL举办机合安排、外延质料阐明、工艺制备和封装测试,并连接测试结果对所安排机合及工艺举办反应优化,是达成VCSEL牢固波长激光输出的有用门径。2006年Koyama先容了VCSEL的上风及其正在光信号打点方面的成长潜力。1993年Young等运用腔模增益考虑高温下VCSEL的劳动特色,得到了145 ℃高温境况下劳动的VCSEL芯片。1994年Lu等通过考虑腔模增益,达成了VCSEL大温度限制内劳动的卓绝特色。2013年Zhang等采用基于准三维有限元阐明VCSEL模子考虑器件机合的温度漫衍和波长输出,获得了输出波长为795 nm的VCSEL芯片。2016年Xiang等采用增益腔模失配特色制备出阈值电流为1.94 mA、输出波长为894.6 nm的VCSEL芯片。高机能可调谐半导体激光器已正在发射现场气体浓度检测周围供给新的治理思绪。近年来,跟着VCSEL正在微型电子类产物中所具有的上风,其已成为半导体激光器运用周围的考虑热门。因为VCSEL的外延质料为众层膜机合,漫衍式布拉格反射镜(DBR)及有源区质料光学厚度会随温度改变惹起谐振腔光学厚度改变,从而使输出波长爆发改变。于是,对VCSEL腔模名望与输出波长的影响举办考虑,制备出牢固波长激光输出的VCSEL芯片,对其正在照明、医疗、军事等方面的应器具有紧要意旨。

  本文针对合用于芯片原子钟(CSAC)的VCSEL器件,运用腔模与增益般配的VCSEL外延机合,连接试验考虑了VCSEL腔模名望对输出波长的影响,安排出7组腔模名望差别的VCSEL机合,通过笔直腔面发射激光器工艺制备VCSEL芯片,采用光谱仪对VCSEL的输出波长举办测试并与所安排腔模名望举办对照,获得了VCSEL腔模名望与输出波长的线性对应合联。遵循试验结果,安排出腔模名望正在890.5 nm的VCSEL机合,所制备芯片达成了85 ℃高温境况下894.6 nm的牢固波长激光输出。

  VCSEL谐振腔的光学厚度平凡为0 / 2的整数倍(0为所安排激光器的输出波长),VCSEL的谐振腔腔长极短,具备单纵模特色,将VCSEL机合中的谐振腔等效为一层,称为镜腔。光正在VCSEL机合中传输时通过上下DBR反射后正在镜腔界面的反射相位恰巧相差的奇数倍,变成光场的互相抵消,使反射率低落,于是正在反射谱上所安排波长0处的反射率最低。

  式中:为反射带宽;n为折射率差neff为有用折射率0为所安排激光器的输出波长。通过(1)式可揣测出截止带(高反射率带)宽度。VCSEL机合的反射谱可由传输矩阵外面揣测得出,光通过第k层DBR反射镜的传输矩阵可外达为

  式中:B、C流露传输矩阵元;j为通过第k层后光场合爆发的相位改变;nj为第j层的折射率;i为层数;nk+1为出射介质的折射率。

  式中:n0为入射介质的折射率;*流露取复共轭。由(3)式可得出各个波长对应的反射率及VCSEL的反射谱,正在高反射带上展现的1个反射率较低的名望即为腔模名望。

  VCSEL的谐振腔由两个DBR夹有厚度为Lc、反射率为ns的远隔膜机合构成。输出波长为0的谐振条款可流露为

  下面遵循VCSEL腔模名望与输出波长的外面合联,安排众组谐振腔光学厚度差别,即腔模名望差别的VCSEL机合;采用金属有机化合物化学气相浸积(MOCVD)本事举办VCSEL质料的外延发展,通过工艺制备获得VCSEL芯片,对VCSEL的输出波长举办测试并与所安排腔模名望举办对照阐明,考虑VCSEL腔模名望与输出波长之间的合联。

  对VCSEL外延片举办工艺制备的实在程序如下:1)举办光刻与刻蚀工艺,采用电感耦合等离子体(ICP 180)正在外延片P面刻蚀出圆形台面机合,刻蚀深度为4.6 m;2)正在400 ℃的管式氧化炉内,经120 min的水汽氧化酿成氧化范围层,氧化孔径约为4 m;3)氧化完结后采用等离子体加强PECVD本事举办钝化,并用PI胶填充间隔槽,使其抵达平缓的台面机合;4)采用磁控溅射工艺制备P面金属电极,将N面减薄掷光至150 m,并制备N面金属电极;5)举办退火工艺,使N面电极和P面电极酿成优良的欧姆接触。

  完结工艺制备后,对VCSEL芯片举办解理封装,采用Loomis解理筑筑举办解理,将热敏电阻、电热丝、衰减片以及VCSEL芯片等封装正在印刷电途板上,完结封装劳动。选用荷兰Avaspec公司坐褥的Avaspec ULS2048L2-USB2光谱仪(步长为0.25 nm)及测试软件AvaSoft8举办激射光谱测试,测试历程中采用CPT物理测试体系(温度无误度为0.01 ℃,电流无误度为0.001 mA)限度温度和电流值,获得牢固温度下VCSEL的输出波长并与所安排的腔模名望举办对照阐明,考虑得出VCSEL腔模名望与输出波长之间的合联。

  本文采用美邦NANOMETRICS公司坐褥的RPM2000 PL-Mapping敏捷扫描荧光光谱仪正在室温对VCSEL外延片举办测试,得到VCSEL外延片的腔模名望,测试结果如图2所示。

  图4所示为VCSEL腔模及输出波长的统计结果。由图4(a)可知,正在0.5 mA驱动电流下芯片1~7的输出波长与腔模名望呈线性合联,腔模名望的改变与输出波长的改变趋向雷同,7个VCSEL芯片的输出波长均比腔模名望略大。这是由于VCSEL正在持续劳动时内部爆发热量,从而惹起谐振腔光学厚度的改变,AlxGa(1-x)As等质料的禁带宽度及折射率随温度均有改变,温度升高会导致VCSEL增益谱及质料折射率爆发改变,从而使谐振腔及DBR光学厚度扩展,并惹起VCSEL腔模名望红移。结果外白,本试验中VCSEL腔模名望的红移速度为~0.058 nm/℃。对VCSEL举办变温光谱测试,得到VCSEL输出波长随温度的改变弧线 nm/℃,测试结果外白VCSEL的峰位红移速度为(0.062 0.002) nm/℃。

  遵循外面阐明和试验得到的结果,对70 ℃~90 ℃温度区间内波长为894.6 nm的VCSEL芯片举办机合安排,所安排VCSEL机合的腔模名望为890.5 nm。外延发展的890.5 nm VCSEL腔模名望测试结果如图5所示。由图5可睹,正在890.5 nm处展现了反射率相对较低且半峰宽很小的尖峰,该尖峰所对应的名望即为腔模名望,外白外延质料的腔模名望满意安排须要。

  对外延片展开工艺制备获得VCSEL芯片,并对芯片举办封装及机能测试。激射谱测试结果如图6所示,正在30 ℃及0.5 mA驱动电流的劳动条款下输出波长为891.2 nm;85 ℃及0.5 mA驱动电流的劳动条款下输出波长为894.6 nm。图6中的插图为VCSEL的输出波长随温度的线可睹,输出波长随温度改变的速度为0.062 nm/℃,输出波长的温漂速度与腔模名望的温漂速度亲热,相符预期试验安排。由图6中的温漂测试结果可知,通过对劳动温度举办调治,可达成正在70 ℃~90 ℃的高温劳动境况中,0.5 mA驱动电流条款下得到894.6 nm输出波长的VCSEL芯片。

  本文阐明了腔模名望对器件输出波长的影响,安排并制备了众组腔模名望差别的VCSEL芯片,对VCSEL的腔模名望与输出波长举办了测试阐明。通过试验考虑得出VCSEL的腔模名望与输出波长呈线性对应合联。安排出腔模名望为890.5 nm的VCSEL外延机合,通过器件工艺达成了正在85 ℃高温境况条款下894.6 nm牢固波长激光输出的VCSEL芯片。通过合理安排VCSEL的腔模名望,达成了对VCSEL芯片目的输出波长的调控,该考虑为其他波段达成牢固波长激光输出的VCSEL奠定了本原。

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