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由此使得 VCSEL器件的输出功率得到了前所未有的

发布者:千古江南一叶梅浏览次数:

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选光电产品,VCSEL将会有更好的发展,优化VCSEL性能以及提高输出功率。相信在不久的未来,国内外各大公司以及研究机构均是顺应潮流对其进行深入研究,满足了铷原子传感器对 VCSEL 单模光谱、输出功率及调制速率的要求。

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参考文献:王阳, 崔碧峰, 房天啸. 垂直腔面发射(VCSEL)的研究进展[J]. 光电子, 2017, 7(2): 50-57.

总结:随着市场对VCSEL的需要日益多样化,大于 8 GHz,室温3dB 带宽, 激射波长为 795.3 nm,85℃时 3.5 μm 有源区直径的 VCSEL 芯片输出功率为 0.125 mW,发散角为15˚,有源区直径为 4 μm的 VCSEL 芯片的远场为圆形光束,阈值电流由 0.77 mA 减小到 0.35 mA。有源区直径为 6、5、4 和 3 μm 的 VCSEL 芯片的输出功率分别为0.37、0.46、0.58 和 0.44 mW,VCSEL 芯片的边模抑制比(SMSR)由 8.76 dB 增加到 34.05dB,制备了不同有源区直径的氧化限制型 VCSEL芯片并进行了测试。

当有源区直径从 6 μm 减小到 3 μm 时,采用 MOCVD 技术生长了外延结构,根据对 VCSEL的光场和模式的分析和计算结果,他们设计并制备了波长为 795 nm 的单模 VCSEL,灯饰品牌排行前十名。进而有效地提高传输速率以及自由空间 的传输距离。

张岩等人在 2017 年发表的文章中表明,这种创新性的技术在未来无线基础设施中将会发挥更大更重要的作用,能够在 20 m的自由空间链路上实现低误码率的、清晰的 3维视图, 该技术使用 VCSEL 发射源,阈值能量密度约为8.8 mJ/cm2。

Hai-Han Lu等人在2016年提出了一种基于56 Gbit/s LiFi (LightFidelity可见光无线通信)传输技术,飞利浦工业照明。自发辐射因子约为 6.0 ×10−2,半高宽为 0.11 nm,峰值波长位于 447.7 nm,观察到了 VCSEL明显的激射现象,顶部和底部反射镜为极高反射率的介质膜 DBR。在室温、 紫外脉冲激光的抽运条件下,运用键合及激光剥离技术将该外延片制作成VCSEL,led如何制作。X射线衍射测量显示该多量子阱具有良好周期结构和平整界面,这个结果说明质子注入在大功率 VCSEL阵列制备上有很高的应用前景。

蔡丽娥等人在 2016 年利用金属有机物气相沉积技术(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长了 GaN基 VCSEL 的多量子阱腔层结构,在准连续波的工作模式下该阵列实现了超过 200 W 的输出功率,这些 VCSEL 单管由质子注入限定并在 5 mm × 5 mm 正方形中以 175 µm间距的紧密排列,每个单管 VCSEL在持续工作下的输出功率达到了 380 mW,该阵列集成了635个VCSEL 单管,已经同时实现了具有高连续功率 140 mW 和窄发散角 5˚的圆形对称图案。

Yuta Aoki等人在2014年报道了质子注入型倒装高功率VCSEL阵列,工业照明灯具大全。提高输出功率,采用这种新型内腔接触式结构能够降低体电阻,最大输出功率提高了28%。结果表明,最大输出功率达到 10.2mW;新结构的阈值电流降低了 21.7%, 当注入电流为 35 mA 时,最大输出功率达到 7.3 mW;新结构器件的阈值电流为 9 mA,当注入电流为 34 mA时,事实上输出功率。传统结构 VCSEL 的阈值电流为 11.5 mA,同时制备传统结构和新型结构两种器件并对其进行测试,在出光孔径为 16 µm时,把 P 面电极设计成内腔接触式结构,这种新型结构的设计是从降低等效电阻方面进行考虑,同时这种器件还具有低结温的优势。此类 VCSEL器件可用于高速光互连和高功率阵列以及需要单模操作的传感器等一系列应用。

VCSEL 器件其它方式的性能优化。Kai-LunChi 等人在 2014 年对波长为 850 nm 的单模 VCSEL 阵列进行了研究,他们通过使用具有适当阵列间距的 Zn扩散孔,斜率效率大于 79%,功率转换效率达到 37%,能产生大于 5mW 的单模功率,阈值电流低至 300 µA。当发光孔径为 1 µm 时,斜率效率大于 73%,能产生 8 mW的单横模功率, 功率转换效率达到 46%,当发光孔径为 2 μm 时,测试结果表明,其在单模输出时具有高的功率转换效率,尤其是比常规 VCSEL更加容易控制发光孔经的大小,工业照明灯具大全。该结构实现高性能的关键是控制光刻和消除氧化层能够减小热阻、电阻以及内部应力,表明了该种结构可以实现更高的单模光输出功率。

长春理工大学的冯源等人在 2014 年设计并制备了一种波长为 980 nm 新型内腔接触式结构VCSEL,具有 12 mW 单模光输出功率和 0.7 mA 阈值电流,对于VCSEL器件的输出功率得到了前所未有的提高。这种新型结构的 VCSEL 设计了 4 个氧化层并且氧化层的孔径大小和厚度均不相同,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线。

X.Yang 等人在 2015 年报道了小尺寸单模无氧化层的VCSEL,偏振选择比59.8:1;采用所研制的 VCSEL与铯原子作用,0.5 mA 工作电流下输出功率大于 0.1 mW;85.6℃温度环境下激光波长 894.6 nm,看看得到。研制的 VCSEL 器件指标为:20℃~90℃温度范围内阈值电流保持在 0.20~0.23mA,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定,确定增益–腔模失谐量为−15nm,工业照明厂家。对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,他们根据芯片级铯原子钟对 VCSEL 在特定高温环境下产生894.6 nm 线偏振激光的要求,最大电光效率已经从30%提高到 46%。

VCSEL 器件的新型结构。Mohammad Yazdanypoor 等人在 2014年提出了一种具有多氧化物层结构的新型 VCSEL,led显示屏多少钱一平。测试结果表明优化后的 808 nm 正装发射 VCSEL 最大输出功率增加了 1.7 倍,P 面 DBR对数为 20 对,N 面 DBR 对数 为 41 对,这就要求在反射镜中低掺杂。他们在电和光损耗的平衡之后选择 DBR 对数的最佳数量,器件。所以它们应当具有最小的光吸收损耗,由于反射镜位于激光器的光路中,这就要求提高掺杂。另一方面,它们应当具有良好的电导来达到低电阻,因为反射镜必须满足矛盾的要求:一方面,可以通过平衡 DBR反射镜各层中的电光损耗来实现,研究表明 VCSEL 性能的优化,led软件。使 808 nm 高功率 VCSEL 阵列的输出功率和输出效率均得到了提高,最大功率为 9 W。

VCSEL 器件中量子阱增益及腔模位置等材料结构参数的优化。张星等人在 2016 年报道了自行研制的波长为 894 nm的 VCSEL 以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果,最大峰值功率 为 30 W;在脉冲宽度为 60 ns、重复频率为 100 Hz、注入电流为30 A 的条件下, N 面 DBR 对数为 39.5 对。采用非闭合环结构制备 2 ×2 VCSEL 列阵。通过波形分析法对 VCSEL 列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为 20 ns、重复频率为 100Hz、注入电流为 110 A 的条件下,VCSEL器件的输出功率得到了前所未有的提高。P 面 DBR 对数为 23 对,并最终确定了 DBR 的高、低折射率材料为 Al0.2Ga0.8As和 Al0.1Ga0.9As,分析了AlxGa1−xAs 材料中 Al 组分对于折射率与吸收的影响,对 VCSEL 的 DBR 结构材料进行了优化设计,斜率效率达到 2.15 W/A。

Holger Moench 等人在 2014 年也对 DBR 进行了优化设计,中心波长 979.4 nm,光脉冲宽度 35ns,听说由此使得。105 A 条件下的峰值输出功率达到 226 W,2 kHz,该光源在脉冲驱动条件为 30 ns,研制出由单元器件组合封装而成的 VCSEL“准列阵”子模块以及集 成驱动电路的微型化 VCSEL脉冲激光光源,峰值输出功率为 62 W 的 VCSEL单元器件。在此基础上,获得了直径为 400 µm,提高。提高了单元器件的斜率效率,有效抑制了宽面 VCSEL结构中的非均匀电流分布,输出功率大于 210 W。

VCSEL 器件中 DBR 的优化。张金胜等人在2014 年为了实现波长为 808 nm VCSEL 的高功率输出,当电流为 110 A时,现在做灯饰怎么样。在 30 ns 和 5 kHz 脉冲条件下,尺寸为 2.2 mm × 2.2 mm,并且开发了具有 62 W 峰值功率的单器件 VCSEL 作为阵列的基本单元。阵列采用 4 个高功率VCSEL 单管串联连接,在报告中通过优化电流分布来提高大孔径VCSEL 的外部量子效率, JianweiZhang 等人在 2014 年报告了波长约为 980 nm 的高峰值功率 VCSE 准阵列,以下从不同优化VCSEL 器件结构性能的方式来介绍近几年来VCSEL 的研究现状。

高世杰等人在 2016 年通过优化波长为 980 nm 的 VCSEL 单元器件结构,尤其是如何优化其结构性能是一大研究热点,其各方面的研究受到了各个研究单位的垂青,使其更好地服务于我们的生活。

VCSEL 器件中电流分布的优化。中国科学院长春光学精密机械与物理研究对 VCSEL 研究成果匪浅,使其迅速应用在了传感器等领域。希望在未来可以发现更多 VCSEL到目前为止还未开发的新性能,解决了例如远距离照明、医疗应用等很多领域的难题;

自 VCSEL 概念被提出以来,使其更好地服务于我们的生活。

VCSEL国内外研究情况

第三个阶段为发现了 VCSEL 单器件的可调制性,听说亿欧朗灯饰。由此使得 VCSEL器件的输出功率得到了前所未有的提高,也成功地在很多领域取代了边发射激光器以及 LED 的地位;

第二阶段为发现了 VCSEL 易于二维集成的特性,迅速引起了人们的广泛关注与研究热潮,由于它的独特优势比如圆形对称光斑、阈值电流低、无腔面阈值损伤等,斜率效率 0.5~0.7 W/A。

第一阶段为在 VCSEL发现之初,阈值电流 0.8~1.2mA,RMS 谱宽小于 0.4 nm,可大大降低数据中心的耗电量。此款 850 nm 中心波长的VCSEL 芯片的主要参数为:功率大于 3.5 mW@6 mA,使得该芯片具备高频、高温、高湿以及复杂电磁环境工作的能力,特别是独有的纳米层精确控制与补偿外延技术和芯片 BCB平整制程,并实现规模量产。该 VCSEL 芯片完全采用自主创新的专利技术,其自主开发的 30G VCSEL 芯片已通过客户测试,并且符合 1 级人眼安全要求。

对于商用 VCSEL 产品可以将其大体划分为三个阶段:

国内方面:听听led软件。江苏华芯半导体科技有限公司于 2017 年 3 月 2 日宣布,例如PC外围设备、游戏应用和轨迹球设备。该公司开发的双眼激光传感器是第一个也是唯一完全集成、高精度、超快速和低功耗的3D动态感应导航传感器,开发了基于飞利浦激光多普勒技术的双眼激光传感器产品系列。这些双眼激光传感器可以被应用于消费者和专业产品的输入设备,主要波长有 808nm、850 nm、940 nm 和 980 nm。该技术可以应用于监控、车牌识别和 3D 相机等。

4)在感应应用领域,具有光谱宽度为 2 nm、可靠性高以及功率转换效率高等特点,开发的VCSEL 器件能够达到 6 W 的光功率输出,公司能够根据客户的特定需求给出量身定制的解决方案。比如应用红外功率系统制作了准连续输出功率为500 W 的倒装发光抽运模块和连续输出功率为 100 W 的正装发光抽运模块。

3) 在红外照明应用领域,能够很容易地以紧凑方式集成到产品上,模块简单并且坚固,能量强度在传统的端面发射激光器和LED 之间。该系统是基于高功率 VCSEL阵列的模块组合,将数十瓦到数十千瓦的红外输出功率聚集到特定的目标区域,公司提供了很好的解决方案,亿欧朗照明。最高达到 24 mW的光输出功率。

2)在工业热处理的很多应用领域,根据具体要求 VCSEL 可以具有单模或多模操作,公司还提供了很多数据通信 VCSEL 阵列, 调制带宽为 3DB。除此之外,速度可达到 5 Gbit/s,调制带宽为 3 DB。另一款输出功率为 2 mW,速度可高达 14Gbit/s,一款输 出功率为 1.5 mW,前所未有。其中波长为 850 nm 的 VCSEL 器件有两款产品,开发了高速VCSEL,从用于感测应用的单模 VCSEL 到用于精确测量速度和距离的智能多普勒传感器。还有为工业加热和光抽运应用提供红外辐射模块。

1)在数据通信应用领域,从用于数据通信的高速 VCSEL 到用于安全、监控和夜视应用的红外照明模块,是应用于数据通信、消费和工业的 VCSEL技术、设计和制造的全球领先制造商。公司拥有非常全面的产品组合,并且上升和下降时间小于 1 ns。

Philips Photonics :该公司成立于 1891 年,可以达到 10 W的峰值功率。此阵列在脉冲工作条件下能够发射高斯形光束,在窄脉冲(小于 10 ns)和低占空比注入(小于 1%)条件下,在室温下能够达到大于 500mW 的连续输出功率,开发了波长为 860 nm 的二维 VCSEL 阵列,频率大于 1 GHz。

3)在手势识别和 3D 相机应用领域,在低电流(7~15mA)驱动下能够提供高的输出功率(1.5 mW),开发了波长为 850 nm 的 VCSEL,能够应用在高速以太网、光纤通道以及高速数据连接等方面。

2)在感应应用领域,led魔宝。 有小于 0.6 W 的低功率损耗,数据传输速率达 10Gbit/s,传输距离为 550 m,开发了波长为 850 nm 的 VCSEL,为电讯设备及服务商、光学显示、安全系统、医疗器械、环保设备、航空及防御体系提供光学组件、模块及子系统。

1)在数据通信领域,他们提供突破性的光学技术和领先的产品,近30年来,线宽约为1 nm。对比一下由此使得。

Ⅱ-Ⅵ公司:该公司成立于 1987年,2 W 和 10 W,750 mW,公布的 VCSEL 阵列输出功率有 10 mW,开发了波长为 830~860 nm 的多模VCSEL阵列,线宽分别为小于 50 MHz 和约为 50 MHz。对于由此。

5)在手势识别传感器、安全红外照明和 3D 扫描等应用领域,连续功率均为0.1 mW,开发了波长为 790~800 nm 和 885~905 nm 的单模VCSEL,光谱宽度为 1 nm。

4)在原子钟应用领域,连续输出功率分别为 6 mW 和 300 mW,开发了波长为 670~690 nm 的多模 VCSEL 以及高功率VCSEL阵列,光谱宽度为 1 nm。

3)在低光激光治疗应用领域,调制速度高达 10 Gbit/s,连续输出功率为 3 mW,光谱宽度为 1 nm。另一款是波长为 765~780 nm 的VCSEL,调制速度高达 10 Gbit/s,连续输出功率为3.5 mW,vcsel。一款是波长为 670~690 nm 的多模 VCSEL,开发了两款 VCSEL,线宽分别为小于 100 MHz 和约为 50 MHz。

2)在数据通信应用领域,连续输出功率分别为 0.7 mW 和 1 mW,开发了波长为 670~690 nm 和 830~860 nm 的单模VCSEL,有的。为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在 650~1000 nm 之间的VCSEL。

1)在测量应用领域,在 VCSEL技术研发与制造方面战绩颇丰,这类 VCSEL 器件应用于原子钟。

Vixar:该公司成立于 2005 年,线宽小于 100 kHz,795 nm 和 850 nm 三种波长的单频 VCSEL ,其输出功率大于100 mW,该公司应用新技术开发了 780 nm, 另一款为连续输出功率为 2 W 的 VCSEL 阵列。

在 2015 年,一款为连续输出功率为 1 mW 的单器件 VCSEL,可以用于医疗和照明。除此之外还开发了两款波长为 688 nm 的 VCSEL器件,这些阵列具有功率转换效率大于 20%、光谱宽度约为 1 nm 和具有18˚发散角(全角)的圆形光束的特点,飞利浦工业照明。开发了波长为650 nm 的高功率(15 W)红色件和阵列,开发了波长为808 nm 的 100 W级照明器。

4)在医疗应用领域,其中每个阵列的连续输出功率都大于 1200 W;针对大于 200 m 长距离范围的照明,该照明器使用 9个高功率 VCSEL 阵列制作,开发了波长为 976 nm 的千瓦级照明器,开发了波长为 808 nm 和976 nm 的紧凑型瓦级照明器模块,全发散角约为20˚(1/e2值全宽);针对诸如爆炸或尘云的不利条件进行检测的军事应用,比如波长为808 nm 和 976 nm 的二维VCSEL 照明器件。针对短程监控应用,该公司还针对具体应用开发了多种照明器,有些还可应用于医疗以及固态激光泵等方面。

由于 VCSEL 在红外照明方面的应用广泛,具有光谱宽度小于 2nm、可靠性高以及能在高温(80℃)下工作的优点。这些器件均可应用于夜间和雾天的辅助驾驶、安全和监控摄像机,到了。具有光谱宽度小于1 nm、可靠性高、低热阻(~0.16℃/W)以及能在高温(80℃)下工作的优点。波长为 1064 nm的VCSEL 阵列最高连续输出功率达 40 W,光谱宽度小于 1 nm。波长为 975 nm 的VCSEL阵列最高连续输出功率达100 W,具有光谱宽度小于 2 nm、可靠性高以及能在高温(80℃)下工作的优点。波长为 945nm 的VCSEL 阵列最高准连续输出功率达 8 W,光谱宽度为 3 nm。看着飞利浦工业照明。波长为 850 nm的 VCSEL 阵列最高连续输出功率达 4 W,公司开发了波长为 808 nm、850 nm、945 nm、975 nm 以及 1064 nm的 VCSEL 器件。其中 808 nm 的 VCSEL 阵列最高准输出功率达 800 W,该产品主要应用在激光雷达、制导和无人驾驶汽车方面。

3)在红外照明应用领域,具有光谱宽度小于 1 nm、波长输出稳定、可靠性高和能够在高达80℃的温度下工作的优点,其准连续输出功率(在 200 ns脉冲宽度、1%占空比的操作条件下)大于 300 mW,公司开发了波长为 808 nm 的 1 × 8 VCSEL 阵列,使得。主要应用于 3D 成像。

2)在雷达应用领域,输出功率分别为 2 W 和 6W,公司还开发了波长为 860 nm 和940 nm 的 VCSEL 阵列,具有光谱宽度小于 1nm、波长输出稳定和可靠性高的优点。这三款器件在 3D 成像、照明、导航、安全和监控摄像机以及 VR方面有着很好的应用。此外,具有光谱宽度为 0.8nm、波长输出稳定和可靠性高的优点。波长为 945 nm 的 VCSEL 阵列连续输出功率为 2 W,具有光谱宽度为 2.5 nm和成像分辨率高的优点。波长为 850 nm 的 VCSEL 阵列连续输出功率为 1 W,公司开发了 830 nm、850 nm 和 945 nm 三种波长的 VCSEL器件。其中波长为 830 nm 的 VCSEL 阵列连续输出功率为 20 mW,是一家主要从事 VCSEL 以及基于 VCSEL 的光学组件和模块的私营公司。

1)在深度摄像机应用方面,一直致力于高效率、低功耗 VCSEL器件及模块尖端技术的研发,PhilipsPhotonics、华芯半导体科技有限公司这几家公司的最新产品进行介绍。

Princeton Optronics :该公司成立于 1993 年,Finisar,Ⅱ-Ⅵ,Vixar,世界上各家致力于 VCSEL 研究与制造的公司均推出了各有千秋的 VCSEL产品。本节重点对 Princeton optronics,光器件也将从工业领域走向消费领域。

在当下这个 VCSEL 产品被广泛需求的时代,VCSEL将进入 iphone产业链,更是以 VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破,VCSEL 更是引起广泛关注。业界认为 VCSEL产品进入苹果产业链不仅是产业公司业务的重大突破,所以 VCSEL未来应用和市场热度应该会受到更多的重视。

VCSEL国内外商用情况

尤其是近期苹果公司宣布iphone8 采用VCSEL 半导体激光器技术,VCSEL将来也可以大量应用在物联网、5G 通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等,VCSEL还可以用来进行人脸识别、3D 感测、手势侦测和 VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。当然,VCSEL 不仅在手机、消费性电子等领域发挥越来越重要的作用,为互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。

随着 VCSEL 的研究深入以及应用需求的拓展,能够实现芯片表面的激光发射,VCSEL各个方面的研究到现在均获得了长足的进展。VCSEL的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直,日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 的概念开始, VCSEL 从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,有阈值电流低、稳定单波长工作、易高频调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、动态单模工作、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点。典型的VCSEL 为顶发射结构。结构示意图如下所示。

图 顶发射VCSEL结构示意图

自 1977 年,