煤矿氧气检测高精度VCSEL驱动及温控电路设计

为解决当前常用煤矿氧气检测仪器易受交叉气体干扰且功耗大的问题,基于GD32F303RCT6微控制器和ADN8834热电冷却控制器,设计了一种软启动开关电路控制的垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity Surface-emitting Laser,VCSEL)高精度驱动及温控电路。驱动电路中,高频正弦波信号和低频锯齿波信号叠加的二进制数据由微控制器产生,经信号发生电路、电压电流转换电路转化成VCSEL高精度驱动电流信号;温控电路中,设计基于比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)补偿电路和数模转换控制器(Digital to Analog Converter,DAC)目标温度控制电路实现激光器温度自动调节。测试结果表明:驱动电路的电流输出区间为0.680~1.360 mA;锯齿波频率误差小于0.5%,正弦波频率误差小于0.1%;氧气吸收峰扫描精度高达0.07 pm,对应电流扫描精度为0.12μA;温控电路的温度控制精度为±0.012℃。满足了可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)煤矿氧气检测应用需求。

增厚DBR型894 nm窄线宽VCSEL

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是芯片级原子钟(CSAC)的主流光源,其光束质量会影响CSAC的各项性能。扩展VCSEL内部有效腔长能够以压缩冷腔线宽的方式压窄器件最终辐射激光的线宽,从而可以减小CSAC短时间内的计时频率噪声。根据所计算的VCSEL表面反射谱,将VCSEL中4层下分布式布拉格反射镜(DBR)的厚度由常规的四分之一波长增加至404 nm,压缩了VCSEL冷腔线宽,并生长了对应的外延结构,制备了通过增厚DBR扩展有效腔长的894 nm窄线宽VCSEL。测试结果表明,研制的VCSEL在90℃下波长为893.1 nm,功率为0.335 mW,线宽约为32 MHz,且具有稳定的偏振特性。

基于VCSEL激光器的激光甲烷传感器研制与应用

基于VCSEL激光器,研制了高性能低功耗激光甲烷传感器,并进行了实际应用。该激光甲烷传感器具有响应快速、灵敏度高、抗光学与电子干扰性能优、无接触性检测且选择性强等优点,解决了当今煤矿井下广泛使用的热催化式甲烷传感器存在的零点易漂移、电气功耗高、使用周期短、易受其他有毒有害气体干扰、易受现场湿度和温度影响等诸多问题,提高了安全监测监控系统的可靠性。

带宽超30 GHz的850 nm方形横向耦合腔VCSEL

如今,人们对研究耦合腔面发射激光器结构的兴趣逐渐增加。这种结构通过向主腔施加调制电的同时向每个反馈腔施加直流电来实现带宽提升。然而,单独驱动主腔对器件性能的影响尚未得到深入研究。为了更全面地了解耦合腔激光器,我们设计并制备了边长为30μm×30μm的方形横向耦合腔VCSEL,并研究了在方形横向耦合腔中单独驱动主腔时器件性能的变化。室温下,-3 dB带宽达30.1 GHz,在非归零调制下,在背对背传输速率40 Gbit/s时获得清晰的眼图,相对强度噪声值为-160 dB/Hz。证明了反馈腔在不加驱动的条件下仍会对主腔的性能提供正向作用。设计的TCC-VCSEL器件只需要一个电源驱动,使其适用于高密度集成,为封装集成应用提供了新的思路。

高功率VCSEL激光器光束发散角的测量方法

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,简称VCSEL)由于其能发射出垂直于腔面光束的特性使得多个VCSEL激光器可以在同一片芯片上紧密集成,而不需要大量的空间;且VCSEL激光器使用共振腔的反射镜来增强光并放大,从而实现高效的光发射;通常情况下,VCSEL激光器的发光效率可以达到40至60之间,与传统的激光器相比,VCSEL激光器更容易实现高效率。由于VCSEL激光器的可集成性好、效率高等特点,使其广泛应用于3D感知、自动驾驶、光通信等领域。因此,VCSEL激光器的质量检测工作也显得越来越重要。随着VCSEL激光器进军高功率领域,其发光束的模式也经历了从基模变为高阶模的过程,光束已经从类高斯光束变为了类拉盖尔-高斯空心圆环光束。虽然传统的1/e^(2)、D86等算法在测量基模下的类高斯光束的发散角较为精确,但对于高阶模式下的类拉盖尔-高斯空心圆环光束,这些方法则出现了明显的误差。考虑到VCSEL激光器在自动驾驶等重要领域的广泛应用,其光束精确度的要求也随之提高。因此,本文采用了D4σ算法,针对类拉盖尔-高斯空心圆环光束进行发散角测量,与1/e^(2)、D86等传统算法进行了比较。结果显示,新方法在发散角测量准确度上最高提升了230。

基于NRZ调制的40 Gbit/s无误码高速850 nm VCSEL设计与制备

850 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)是短距离光互连的核心光源。随着对数据中心流量的需求增加,实现不归零(NRZ)调制高速无误码传输是目前的研究热点。本文设计制备了基于λ/2短腔和六层氧化限制层的高速850 nm VCSEL,室温下最高-3 dB带宽达到23.8 GHz。NRZ调制50 Gbit/s(1 m)和40 Gbit/s(100 m)速率下获得清晰的眼图。在未使用预加重、均衡和前向纠错的条件下,通过NRZ调制在1 m和100 m下无误码传输速率分别为40Gbit/s和30 Gbit/s。

高功率底发射VCSELs的制作与特性研究

研究制作了大面积底发射氧化限制面发射激光器,并分析了器件特性。通过增加有源区面积,改进制作工艺,采用Al2O3作钝化膜和多层复合HfO2作增透膜等方法,提高了激光器输出功率。分析了最大输出功率与有源区直径和注入电流之间的依赖关系。结果表明:有源区直径分别为500μm和600μm的单管,室温下均达到连续输出功率1.95W,这也是目前国际上所实现的单管室温连续输出最高功率;实验所得最大输出功率与有源区直径和注入电流之间的依赖关系与理论计算所得结果一致。并特别讨论了直径200μm的器件的近场和远场光强分布,获得单横模工作。

VCSELs高阶分岔及混沌行为的参数控制

基于自发辐射在微腔激光器中的独特性 ,利用参数开关调制控制混沌的理论和技术 ,对VCSELs实施高频大信号深度调制和混沌控制的数值模拟 .结果表明 ,提高自发辐射因子可抑制VCSELs的非线性行为 ,通过对自发辐射因子的开关调制 ,可把系统由混沌状态控制到平衡态和nP周期轨道 ,同时给出了VCSELS各种稳定周期态、分岔数。

单模VCSEL激光自混合测距精度的提高

单模VCSEL激光自混合测距具有测距精度高、功耗低和结构简单等优点。对单模VCSEI。进行了大频偏的三角波电流调制，应用差频模拟锁相环处理自混合拍频信号，明显减小了拍频信号在三角波拐点处固相位突变、波形周期不等以及波形的调幅干扰和失真等因素造成的影响。实验结果表明，提高了测距精度和动态范围。室温下，在单模VCSEL输出功率0．7mW，波长850nm，调制三角坡的频率1．3kHz，幅度0．4Vrms，采样时间0．1S，散射面为粗糙金属片的条件下，测距范围达到50～500mm，测距精度达到2mm，分辨率优于2mm。

高精度宽测速范围精确方向判别单模VCSEL自混合LDV

单模VCSEL(Vertical cavity surface emitting laser)激光器自混合LDV(Laser Doppler veloci- tymeter)系统的温度特性和外腔长度L_(ext)(激光器前腔镜到目标散射面之间的光程)可变范围优于多模激光器LDV系统。应用差频模拟锁相环信号处理技术,明显提高了单模VCSEL自混合LDV测速精度和测速动态范围.用多普勒频移f_d的分频跟踪三角波电流调制技术,提高了运动方向判别的精度和动态范围.实验结果表明,在外腔长度为30mm±3mm、温度为0℃～55℃、采样时间0.1s、激光器无温控的条件下,分辨率优于0.2%;在测速范围为30～480mm/s的条件下,测速精度优于1%;在速度范围为5～480mm/s的条件下,测速精度优于2%.在电源电压为5V时,正向运动方向指示电平大于4.9V,反向运动方向指示电平小于0.1V.

利用VCSEL激光二极管在1.58μm波段对CO_2气体温度的测量

利用1．58μm处的VCSEL激光二极管对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量．介绍了利用可调谐激光光谱结合波长调制方法进行温度测量的基本原理，并讨论了相关的影响因素．在常压下的加热石英管中进行了实验，在温度为20～300℃时，计算值与热电偶信号的温差在35℃以内．通过对测量误差的分析，为实现单激光器同时测量气体温度与浓度提供参考．

16信道0.35μmCMOS/VCSEL光发射模块(英文)

研究了垂直腔面发射激光器 (VCSEL)及其列阵器件的光谱特性、调制特性、高频特性及与微电子电路的兼容性 ,将 1× 16的VCSEL与CMOS专用集成电路进行多芯片组装 (MCM ) ,混合集成为 16信道VCSEL光发射功能模块 .测试过程中 ,功能模块的光电特性及其均匀性良好 ,测量的 - 3dB频带宽度大于 2GHz.

高精度宽动态范围单模VCSEL自混合LDV测速方法的研究

自混合激光多普勒测速(laser Doppler velocimetry,LDV)精度与激光器模式、多普勒信号频率展宽、激光器前腔镜到反射面距离(外腔长)的变化范围以及速度的动态范围等因素密切相关,研究结果表明,采用新型小功率单模垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)和模拟差频锁相技术,在外腔长度为30 mm±1 mm,速度范围为30～480 mm/s,采样时间为0.1 s的条件下,测速精度优于1%,重复精度优于0.2%,具有测速精度高、动态范围大、成本低等特点.

AlAs/AlGaAs的湿氧氧化及其在VCSEL制备中的应用

根据制备垂直腔面发射激光器 (VCSEL)电流限制层的需要 ,通过实验方法研究了氧化温度、Al组分和晶向等条件对AlGaAs氧化速率的影响 ,得到适用于VCSEL的材料参数和氧化条件 ;对氧化后表面分层、欧姆接触特性变差等现象进行分析 ,得到解决或改善方案。比较AlAs和Al0 .98Ga0 .0 2 As氧化特性及氧化后的热稳定性 ,结果表明Al0 .98Ga0 .0 2 As较AlAs更适于作VCSEL电流限制层。将优化的氧化条件及材料参数应用于VCSEL制备 ,得到室温连续工作的VCSEL器件 ,其阈值电流为 0 .8mA ,激射波长为 980nm ,工作电流为 15mA时输出功率可达 3.2mW。

大功率VCSEL三角列阵的空间相干性

由厄米-高斯光束理论和空间相干性定理出发,研究了大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)三角形列阵器件的光束质量和空间相干特性。采用二阶距法和空间相干度积分法得到980 nm波段VCSEL三角列阵器件的远场发散角和空间相干度,并讨论了列阵器件单元间距对其远场特性和空间相干特性的影响。实验结果表明:当三角列阵单元孔径为150μm时,随着列阵单元间距由200μm增大到300μm,列阵器件的远场发散角由9.5°增加到12.5°,而其空间相干度由0.719减小到0.526。在相同注入电流条件下,3种列阵器件的出光功率基本相同。

VCSEL技术与并行光互联

介绍了 VCSEL结构和技术特点 ,它以很高的性能价格比成功地应用于单通道和并行光互联 ,并将在宽带以太网、高速数据通信网中得到广泛的应用 .以 VCSEL为基础器件的高速大容量、高并行处理功能的光互连。

多量子阱VCSELs阈值特性的分析

采用光增益与载流子浓度的对数关系，从理论上推导出多量子阱垂直腔面发射半导体激光器（ＶＣＳＥＬｓ）的速率方程。讨论了阈值电流密度、最佳阱数等与器件参数（阱数、腔长和反射率等）之间的依赖关系，描述了微腔激光器中的自发辐射增强效应，比较了三维理想封闭腔与普通开腔中的特性曲线这将对于ＶＣＳＥＬｓ的理论研究和优化器件结构有所裨益。

TDLAS型采用VCSEL光源的H2S气体检测系统的研制

本文以VCSEL激光作为光源,利用TDLAS技术对硫化氢气体进行检测。对比近红外波段硫化氢及其他常见气体的吸收光谱,确定硫化氢气体的吸收波长为1590 nm,利用波长调制技术对激光器进行调谐,使其输出波长扫过硫化氢气体的吸收谱线。基于VCSEL激光器相比传统DFB激光器具有高效率、低功耗和小体积等优点,TDLAS技术整个系统的功耗大幅降低。通过配比多种浓度的硫化氢标气对检测系统性能进行标定,实验结果表明系统的检测下限达9 g/m^3,并且系统的稳定性和检测单一性表现良好,适用于复杂的工业生产环境中,应用前景广泛。

利用光反馈VCSEL模式跳变产生随机数

近年来,在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展,但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题,文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变,再由方波信号对注入电流进行调制,周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态,最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明,具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求,简化了当前随机数的产生结构,且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。

确定VCSEL电势及载流子自洽分布算法的研究

分别使用准Fermi能级和pn结模型决定VCSEL的有源层压降 ,建立了两种自洽确定VCSEL中电势及载流子分布的方法 .针对电极电压变化和氧化层限制孔径变化的两种情况 ,在阈值附近对器件中的结电压分布、载流子浓度分布和注入有源层电流密度分布进行了计算 ;针对两者所得结果的差异进行了简要的分析 ,指出了二者的特点及适用范围 .