断续器阵列 VCSEL arrays

2022-10-21 15:23:25 浏览:307

定义

包含许多VCSEL激光发射器的阵列。

VCSEL是一种垂直腔体表面发射激光器 - 一种垂直于晶圆表面方向发射的激光二极管 - 与更常见的边缘发射半导体激光器相反。这种激光只能在毫瓦区域产生相当中等的功率。然而,可以在公共半导体芯片上制造包含许多此类VCSEL的二维阵列,并利用这些阵列的组合发射。然后,人们可以获得几瓦,几十瓦甚至几百瓦,这取决于使用的发射器的数量。因此,包含数千个发射器的2-D VCSEL阵列可以与二极管条竞争,甚至可以与基于边缘发射半导体激光器的二极管堆栈竞争(组合多个阵列)。

VCSEL技术天然适用于晶圆级生产。

与单发射器的制造相比,生产过程(通常使用MOCVD和光刻)非常相似。只有少数与电气连接相关的额外制造步骤。生成的阵列的外部形状通常是矩形的,但其他形状(例如三角形)同样是可能的。例如,发射器可以以正方形或六边形模式排列。

通常,单个发射器的直径在5 μm和20 μm之间,输出功率在几毫瓦到几十毫瓦之间。发射器的间距(间距)有时在制造方面尽可能接近,但在其他情况下要大得多,例如用于限制热量产生的密度。例如,对于有源直径为8 μm的发射器,可以使用40μm的间距。这种芯片的面积例如5毫米2可产生约10 W的输出功率。

请注意,边缘发射器适用于一维阵列(=二极管条),但几乎不适用于二维阵列,而VCSEL可以非常自然地制成具有晶圆级制造的2D阵列。因此,它们在低成本制造方面具有巨大的潜力。

具有多个 VCSEL 阵列的程序集

对于某些应用,数十个这样的VCSEL阵列并排安装在水冷支架上,该支架提供电气连接和冷却。通常,阵列串联电连接以限制所需的电流。这种总发射面积为几平方厘米的设备可能会发射数百千瓦的功率,而较大的设备甚至可以产生数千瓦的功率。与发射器保持一定距离的光学强度在大面积上可以相当均匀。

输出功率和光束质量;有效冷却的重要性

VCSEL区域的总输出功率只是所有发射器的输出功率之和。但是,如果达到冷却系统的极限,则可能必须降低每个VCSEL的发射,因为许多VCSEL的总耗散功率和热功率密度可能很大(通常为每厘米数百瓦特)2).通过增加发射器之间的间距可以使冷却更容易 - 但是这会降低光束质量,如下所述。

单个VCSEL的光束质量可能非常高 - 接近衍射极限。当针对高输出功率优化此类设备时,光束质量可能不再完美。然而,更重要的是,当组合多个VCSEL时,可以有效地获得具有相应增加发射面积的激光源;该面积大大超过发射器的数量乘以单个发射器的面积,因为发射器之间需要一些间距。同时,如果发射不协调(不相干),则光束发散仍然是单个发射器的发散,并且像往常一样。结果,光束参数乘积和M2因素,这是光束质量的指标,大大增加。

因此,原则上,只需增加发射器的数量,就可以放大输出功率(“功率缩放”),但同时降低光束质量。因此,人们不应该认为这种方法是真正的幂缩放;辐射度(亮度)没有增加,通常保持在50千瓦/(厘米)的数量级2)。

为了优化光束质量和辐射,可以使用不同的方法:

  • 可以最大化每个单个发射器的发射,因此需要少量的发射器,并且相应地减小总发射面积。单个发射器的光束质量的降低仅在光束发散增加时才有意义。
  • 人们将尝试最大化每个发射器的功率转换效率,从而减少产生的热量。
  • 可以尝试最小化发射器的间距。这种方法基本上受到冷却效果的限制,至少对于连续波操作而言。下一节将介绍改进该方面的方法。
  • 人们可以尝试通过使用光学反馈来获得相干发射,下面也将进一步解释。

有效冷却的方法

高效冷却器

通过使用具有特别高导热性的材料,可以有效地将热量从表面传导出去。特别是,人们经常使用人造金刚石加热器撒布器。由于它们是透明的,它们有时甚至可以附着在发光表面上。散热器可与微通道冷却器结合使用。

变薄基材

在传统类型的设计中,发射被引导远离外延侧,并且通常必须在背面进行冷却,因此基板的热阻是一个问题。这可以通过使用尽可能薄的基板或在外延过程后将其变薄来减少。

底部发光的透镜

至少对于较长的工作波长,也可以制造VCSEL,其不会垂直远离芯片,而是以相反的方向发射,即从外延侧进入基板。然后在底部获得输出光束,对其进行抛光并获得减反射涂层,以最大限度地减少功率损耗。然后,顶部可用于有效冷却,热源和冷却介质之间的热阻最小。

然而,一个缺点是半导体衬底中的光吸收会损失光功率,这需要掺杂(通常是n掺杂)以承载电泵电流。因此,还需要尽可能减少基板厚度,例如150μm。

变频器阵列的效率

VCSEL阵列的功率转换效率通常为50%,与许多边缘发射高功率激光二极管大致相当。然而,其中一些阵列的效率远远超过70%[1],而VECSEL阵列目前在976 nm处的效率限制在63%左右[5]

也可以在较高温度下操作(例如,外壳为50°C),但效率略低。

如果强制执行具有特别高光束质量的操作,则效率通常也会降低。

脉冲操作

在纳秒至微秒脉冲持续时间的脉冲操作中,可以实现相当高的峰值功率。即使在脉冲操作中,器件的可靠性也可能很高:由于中等光学强度,通常不会发生灾难性光学损坏(COD) - 它们通常远低于边缘发射激光器中的光损伤,其中可实现的峰值功率受COD限制在不高于连续波输出功率的值。

脉冲操作对于泵浦具有低脉冲重复率的Q开关固态激光器特别有用。在这里,泵送持续时间通常为几百微秒。然而,人们也可以考虑使用更短的脉冲持续时间(例如几纳秒)进行飞行时间测量,其中高峰值功率通常至关重要。

发射线宽和温度系数

单个VCSEL的发射线宽可以非常小 - 远低于1 nm。原则上,整个VCSEL阵列的线宽可以同样小,前提是所有发射器都以完全相同的波长工作。这需要在生产过程中实现高均匀性,此外还需要充分均匀的温度分布。

VCSEL的发射波长通常比边缘发射激光二极管的温度依赖性低几倍 - 对于基于GaAs的器件,通常约为0.065 nm / K。这是因为发射波长基本上由腔体共振决定,而不是由增益最大值决定,并且腔体共振的温度系数要小几倍。它们仅受折射率的温度依赖性的影响,而不受涉及费米分布的载流子密度的影响。

请注意,发射波长在脉冲产生过程中可能会漂移,其中废热积聚在相对较小的体积中,需要一些时间才能去除。

使用微透镜阵列进行光束准直

图 1:VCSEL 阵列输出的准直。

一些应用需要通过使用微透镜阵列来减少光束发散,其中每个发射器都有自己的透镜(见图1)。这可以促进光束的进一步处理,例如使用额外的大透镜聚焦到小点。

可以使用单独制造的透镜阵列,该阵列需要精确地对准VCSEL阵列,也可以直接在半导体芯片上制造微透镜。

带外部谐振器的相干发射

通常,不同的VCSEL以独立且因此不协调的方式发射,即没有相互一致性。即使只考虑相当短的平均时间,也可以简单地将不同发射器的强度分布相加,忽略任何干扰效应。因此,光束参数积很大,因为通过组合许多发射器来增加发射面积,而发散角保持不变。

如果所有VCSEL的发射都可以基于光学反馈相互相干,这种情况可能会发生深刻的变化。为此,人们通常会采用两种措施的组合:

  • 一种使用通用输出耦合器反射镜,该镜像可以放置在距离发射表面几毫米的地方。它可以是平坦的,也可以是弯曲的,这取决于热透镜的量以及光束质量与功率转换效率的优先级。
  • VCSEL的顶部反射镜反射率大大降低,因此只有通过来自外部反射镜的光学反馈才能进行激光照射。

理想情况下,人们还使用适应性的VCSEL设计,具有最小的电流拥挤和空间孔燃烧效应,更容易被迫以低发散率运行。使用这种外腔VCSEL(EC-VECSEL),可以获得具有显着减少的光束发散的发射,例如,使人们能够将光发射到多模光纤中。在某些情况下,M2因素甚至接近 1,近似于 TEM00轮廓。然而,功率转换效率通常会受到严重损害 - 特别是在优化设备以获得最高光束质量时,但是,实现的辐射度可能会高出几个数量级(数百兆瓦/(厘米)2sr)) 而不是在发生不协调排放的情况下。

同时,发射线宽可能会减小,因为不同的发射极被暂时拉向共同的发射频率。

来自外部谐振器的另一种选择是腔内频率加倍,通过它可以实现大大提高的频率倍增效率。

用于变频器阵列的应用

VCSEL 阵列适用于泵浦固态激光器。由于它们的光束发散度相对较低,即使没有任何泵浦光学元件,它们有时也可以使用,这当然大大简化了激光设置。在其他情况下,可以使用具有简单泵浦光学器件的光纤耦合激光器。此外,发射波长的低温依赖性可能使温度稳定系统过时。即使是脉冲泵浦也很容易实现,例如,对于Q开关激光器,泵浦脉冲持续时间通常为几百微秒。

当利用腔内频率加倍时,可以泵浦更广泛的固态激光器,包括例如钛-蓝宝石激光器。

阵列不能达到特别高的辐射度,而只能达到很高的输出功率,可以应用于热材料加工 - 例如,用于热塑性零件的成型,用于碳纤维零件的生产,胶印,烧结工艺以及钢制零件的局部热处理。对于此类应用,不需要强烈聚焦产生的红外辐射。人们通常可以从平坦而平滑的强度曲线中受益,而无需额外的光束均质器即可实现。在某些情况下,可能仅在某些空间区域激活VCSEL阵列,以获得修改后的照明模式。

VCSEL可用于照明,例如在检测系统中,其中有限的光束质量通常无关紧要,而只是均匀照明。在某些情况下,快速调制照明强度的选项(甚至可能使用脉冲照明)可能非常有用。

具有少量发射器的阵列(通常可以独立寻址)用于光纤通信。

参考文献

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[2] S. Riyopoulos, “Effects of nonlinear frequency pulling on the cavity phasing and the collective mode structure in phase-locked VCSEL arrays”, J. Opt. Soc. Am. B 23 (2), 250 (2006), doi:10.1364/JOSAB.23.000250
[3] S.-F. Seurin et al, “High-power high-efficiency 2D VCSEL arrays”, Proc. SPIE Vol. 6980, 690808 (2008), doi:10.1117/12.774126
[4] Z. Wang et al., “High power and good beam quality of two-dimensional VCSEL array with integrated GaAs microlens array”, Opt. Express 18 (23), 23900 (2010), doi:10.1364/OE.18.023900
[5] D. Zhou et al., “Progress on vertical-cavity surface-emitting laser arrays for infrared illumination applications”, Proc. SPIE Vol. 9001, 90010E (2014), doi:10.1117/12.2040429
[6] D. Zhou et al., “Progress on high-power, high-brightness VCSELs and applications”, Proc. SPIE 9381, 93810B (2015), doi:10.1117/12.2080145
[7] F. E. Doany et al., “Terabit/sec VCSEL-based 48-channel optical module based on holey CMOS transceiver IC”, J. Lightwave Technol. 31 (4), 672 (2013), doi:10.1109/JLT.2012.2217938
[8] B. Redding et al., “Full-field interferometric confocal microscopy using a VCSEL array”, Opt. Lett. 39 (15), 4446 (2014), doi:10.1364/OL.39.004446
[9] A. Malacarne et al., “Optical transmitter based on a 1.3-μm VCSEL and a SiGe driver chip for short-reach applications and beyond”, J. Lightwave Technol. 36 (9), 1527 (2018), doi:10.1109/JLT.2017.2782882

激光器

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