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《前沿 | 超跨度悬臂单模高光束质量MEMS-VCSEL》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： 胡思思
  • 发布时间：2025-04-21

  • 在光学相干断层扫描（OCT）、激光雷达（LiDAR）与波分复用的无源光网络（WDM-PON）等前沿应用中，传统MEMS-VCSEL的瓶颈源于其机械与光学设计的割裂。以热驱动器件为例，其调谐速度受限于热惯性，通常需要数毫秒完成一次波长扫描，无法满足OCT实时成像的需求。而静电驱动器件虽能实现微秒级响应，却因悬臂结构的高阶机械共振模式引发波长抖动，导致成像噪声增加。更关键的是，传统可调谐激光器在宽波长调谐范围内难以平衡调谐速率与光束质量，光束质量随调谐过程劣化，例如发散角超过30°、光斑偏离高斯分布，严重限制了光纤耦合效率和系统信噪比，迫使系统增加复杂的光路设计，推高成本与体积。

    北京工业大学关宝璐教授研究团队通过超跨度悬臂共振微机械与半导体腔-空气腔协同设计，实现了1060 nm VCSEL 34.41 nm连续无跳模调谐、8.65°最小发散角的单模激光输出。首先，通过105°超跨度悬臂结构，有效抑制了高阶机械共振模式。这种设计在确保输出波长稳定性的前提下，同时静电驱动电压仅需13 V，兼顾了速度与能耗。悬臂与反射镜区域通过引入圆形应力隔离孔洞，确保调谐过程中反射镜的平整度，实现调谐全周期的波长稳定性。光学方面，团队采用半导体腔主导（SCD）结构，优化空气间隙至3λ/2周期并限定氧化孔径为6 μm，使得激光阈值电流低至1 mA，边模抑制比全程超过40 dB，实现了34.41 nm的连续无跳模调谐。为进一步提升光束质量，对谐振腔的整体设计，将高阶模（如LP11）限制在20%以内，远场光斑接近理想高斯分布，最小发散角压缩至8.65°，极大提升光传输耦合效率，同时显著简化了光路设计。

    图1. (a) HI MEMS-VCSEL 示意图。(b) MEMS 制备过程。(c) 不同悬臂梁的驱动膜。(d)

    HI MEMS-VCSEL 的SEM图像和实物图像

    图2. (a) 直流/交流电压操作的光谱。(b) 不同操作电压下的远场轮廓组合。(c) 不同操作电压下的光束发散角θ和等效曲率半径Ro。(d) 在相同测量位置，不同操作电压下的远场图案

  • 原文来源：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-7-15316&id=569679
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  • 《单模VCSEL功率效率刷新记录》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2024-12-27
    • 随着人工智能技术的快速发展,高速数据中心已经成为支撑人工智能、大数据分析、云计算和5G网络等前沿技术的关键基础设施.目前数据中心大量使用多模垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL）作为短距离高速光通信的核心技术,这是因为多模VCSEL具有成本低、能耗小等优点,适用于高密度的光互连.然而,随着更高数据速率（超过100 Gbps）的需求不断提升,多模VCSEL因模式色散、带宽限制和信号噪声等劣势难以满足要求.现有的方法在单模的模式增益体积扩展和表面微结构对横向模式的控制能力方面面临挑战,这限制了单横模VCSEL功率和效率的突破.单模VCSEL的发展历程如表1所示,从表中可以看出,自2006年以来,单模VCSEL的功率发展比较缓慢,一直维持在10 mW左右,且电光转换效率也比较低。 表1 单模VCSEL的发展历程 近年来在高速通信领域,随着PAM4+调制方案的采用,功率的重要性愈发凸显；人工智能技术的快速发展导致数据吞吐量大幅增加,使得器件能耗问题也成为关键关注点.因此,研究具有低成本、高功率、高效率、低发散角等特点的单模VCSEL对推动高速光通信的发展具有至关重要的意义。 研究亮点 针对以上问题,四川大学电子信息学院及苏州长光华芯光电技术股份有限公司王俊教授研究团队提出了一种基于多结VCSEL扩展纵向增益以提升单模VCSEL功率的方法,并构建了多结VCSEL的模式分析模型,解决了单模功率难以突破10 mW左右水平的难题,在直流驱动下实现了20.2 mW的单基横模激光输出,功率转换效率达42%,发散角为9.8° (1/e2)和5.1° (FWHM).这是迄今为止单颗VCSEL的最高单模功率,其功率值接近现有单模功率记录的两倍.这项研究将为高功率、高效率单模半导体激光器的进一步开发和应用提供创新方案,并对"绿色"高速光通信的发展具有重要的推动作用。 首先,该工作在保持低阈值的工作条件下,对比了低反射率输出镜的多结VCSEL和高反射率输出镜单结VCSEL的表面相位层厚度变化对反射率的调控能力.如图1所示,模拟实验结果表明9对p-DBR多结VCSEL设计的反射率变化高达20%,其表面结构调制能力远大于传统单结VCSEL设计。 图1 (a) 6结VCSEL示意图；(b) 单结VCSEL的p-DBR示意图；(c) 多结VCSEL的p-DBR示意图；(d) 不同DBR对数下输出镜反射率与表面相位层Si3N4厚度的关系 接着,该工作基于前期构建的实现了超高效率突破的多结VCSEL模型（Light Sci Appl 13, 60, 2024),分析了基于表面相位层厚度的单结与多结VCSEL的阈值增益变化,以及基于单结单模VCSEL现有水平的多结VCSEL效率扩展特性.如图2所示,结果表明,随着表面Si3N4厚度的变化,反射率变化幅度的不同会导致两类VCSEL的最大阈值增益存在明显差异,其中多结VCSEL的最大阈值增益约为单结VCSEL的2倍.实现单模VCSEL的核心思路是增大高阶模与单模的阈值增益差值,从而使得在一定工作条件范围内保持单模工作,但目前大部分方法基于各种表面微结构,使得模场分布集中在发光孔径外侧的高阶模具有更大的损耗.因此,该工作首次揭示了多结VCSEL在保持低阈值工作的同时能够增强表面微结构对高阶模式的调制能力,提出的方法能够显著增加高阶模式与基模之间的阈值增益差异,从而在更大的范围实现高阶模.多结VCSEL的扩展特性模拟实验表明高功率单模VCSEL的效率有望超过60%。 图2 19对p-DBR单结和9对p-DBR 6结VCSEL,(a) 表面Si3N4光学厚度与阈值增益的关系；(b) 多结VCSEL功率转换效率扩展特性 随后,该团队制备了不同尺寸的表面浮雕结构的6结VCSEL样品并进行了光电特性表征,结果如图3所示.6结VCSEL在连续电流驱动下实现了20.2 mW的激光输出功率,边模抑制比大于35 dB,对应的电光转换效率为42%,发散角为9.8°.近场光斑表明其为单基模激光工作模式.据团队研究人员所知,在室温连续工作的条件下,这是迄今为止单个VCSEL的最高单模功率,且功率值几乎是已知记录的两倍.此外,该方法只需在VCSEL的表面进行简单的微米级氮化硅蚀,无需特殊光刻工艺和复杂的工艺流程,保障了单模VCSEL的高可靠性和低成本优势。 图3 (a) L-I-V曲线；(b) SR=1 μm时不同电流下的光谱图；(c) 20.5 mW时的近场图；(d) 20.5 mW时的远场光斑图；(e) 20.5 mW时的远场发散角 综上,该团队提出了一种可实现高功率、高效率、强高阶模抑制能力、低发散角、低成本VCSEL的方法,基于该方法可扩展到VCSEL的各类通信波段,为实现高性能单模VCSEL提供了思路和有价值的参考,为未来高速光通信的发展开辟了一条全新的技术路线,在实现高速光通信方向具有极大的潜力.这里必须强调的是单模VCSEL的研究大多聚焦于直流驱动下的功率提升,这对于实际应用才具有重要的价值。
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  • 《前沿 | 面向光声气体痕量检测的高灵敏度电容式MEMS》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-05-22
    • 气体传感器在工业和城市气体排放的监测和控制方面发挥着至关重要的作用。对于人类健康相关的应用，例如呼吸分析或有毒/爆炸性气体（如甲烷）的检测，需要高灵敏度、高选择性且紧凑的气体传感器。气体传感器的小型化不仅可以提高成本效益，还能增加便携性，使其适用于更广泛的应用领域。 过去十年来，业界开发了多种气体传感器来检测并分析各种气体。最常用的气体传感器包括电化学、半导体以及红外（IR）气体传感器。电化学和半导体气体传感器具有紧凑性和相对低成本的特点。电化学传感器检测的是电化学反应过程中的电子迁移，而半导体传感器通过测量目标气体分子吸收引起的电阻变化来工作。 这两类传感器对甲烷等气体的检测都很敏感，其中电化学传感器和半导体传感器的检测极限分别低于9 ppmv和5 ppmv。然而，由于湿度和温度的影响，以及与化学反应相关的消耗问题，这些传感器的可靠性会降低，因而寿命有限。此外，某些气体可能会出现交叉灵敏度，使这些气体传感器的选择性降低。 在各种检测技术中，可调谐激光二极管光谱法（TDLS）在选择性、可靠性和灵敏度方面兼具优势。它还能够达到ppb级的检测水平，可用于甲烷检测。该技术包括半导体调制红外激光器，其波长对应于目标气体的吸收线。 TDLS检测利用光电二极管测量穿过气室的激光强度。根据比尔-朗伯（Beer–Lambert）定律，红外吸收技术的灵敏度与吸收路径的长度成正比，这意味着性能取决于传感器的尺寸。因此，这种技术的主要缺点是很难实现紧凑性。这个问题可以通过采用光声光谱技术来克服，与TDLS相比，光声光谱法在测量光吸收的方式上有所不同。 在激光被目标气体吸收后，被激发的气体分子将在非辐射跃迁后返回其基本能量水平。这将增加分子的动能，并在激光调制的相同频率下产生介质的周期性加热，从而产生具有相同周期的声波。 由此，光声光谱法采用声学传感器实现测量，而非光电探测器。在这种情况下，传感器的灵敏度与激光器的功率成比例，而不是光路，这使得开发小体积气体测量的紧凑型气体传感器成为可能。 每种光声技术都由其声传感器来定义。目前，使用最多的光声光谱技术包括：MPAS（基于麦克风的光声光谱技术），采用电容换能的麦克风；CEPAS（悬臂梁增强型光声光谱技术），是一种基于新型硅微悬臂梁传声器的改进型光声光谱技术；QEPAS（石英增强型光声光谱技术），采用压电换能的石英音叉（QTF）。 MPAS的主要缺点是环境背景对测量的干扰。至于CEPAS，尽管它具有较高的灵敏度，但光声池需要的待测气体量大，并且存在共振漂移。而对于裸QEPAS，声波和音叉叉指间存在较差的空间重叠，这导致信噪比（SNR）降低。 上述不同缺点源自这些声学传感器中没有一个是完全为光声光谱技术而设计的。在此背景下，法国蒙彼利埃大学（University of Montpellier）的研究人员采用一种创新方案，开发了一种紧凑且集成化如麦克风，清晰共振如QTF的硅基MEMS传感器。研究人员最初在2019年提出了这种技术，称之为MEMPAS（MEMS增强光声光谱技术）。 该方案采用在绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造的电容式硅微机械谐振器。硅的使用使其具有成熟CMOS技术的优势，尤其是精确的尺寸控制、集成化和批量生产的成本降低。此外，电容式传感是一种有吸引力的方案，它提供了简单的结构；可以用高掺杂硅作电容电极，而不必进行金属沉积。 理想的电容器没有固有噪声，适用于低噪声传感。这些特性可以专门设计用于光声气体传感的传感器结构。有证据表明，与麦克风相比，它可以提供更高的品质因数。 不过，研究人员开发的第一款原型的性能远未达到最先进水平。这主要源于基于间隙减小的电容换能机制，由于两个电极之间接近而产生重要的粘性压膜效应。 这种效应减少了机械谐振器的位移，限制了电容变化，从而使其灵敏度也受限。为了将这种影响降至最低，应减小谐振器表面。然而，这又会减少光声能的收集，意味着电容换能表现出相反的物理趋势。造成这种问题的原因是同一部件承担了两种功能：光声能量收集和电容换能。 为了克服这个问题，研究人员提出了一种被称为“H谐振器”的创新设计，它将这两个功能分配给两个不同的部分。这种H谐振器表现出接近裸QEPAS技术的性能，通过改善光声能量收集、可移动电极的位移和标称电容，有望实现卓越的灵敏度。这项研究成果已发表于近期的Sensors期刊。 H谐振器在光声激励下偏转的示意图。H谐振器分为两部分： 中心部分专用于光声能量收集，臂部分专用于电容换能。 激光束的光轴垂直于谐振器，并聚焦在其中间。由于对调制激光的吸收而产生声波 MEMS器件在其谐振频率下的运动仿真 研究人员在最新的研究中重点改进了H谐振器。目标是开发用于光声气体痕量检测的高灵敏度电容式MEMS。在这项工作中，研究人员进行了电学表征，以确定谐振器的频率响应和标称电容。 应用MEMS增强光声光谱技术进行甲烷检测的系统设计示意图 此外，研究人员在不使用声腔的光声激励下，在目标气体的校准浓度下检测了传感器的线性度。最后，根据检测极限（LOD）和归一化噪声等效吸收（NNEA）对所开发传感器的性能进行了评估。 在文章中，研究人员展示了利用所开发气体传感器进行甲烷检测的工作原理。不过，值得注意的是，这种传感器可以用于检测各种气体，不仅仅是甲烷。因为这种气体传感器基于光声光谱技术，通过更换传感器中使用的激光器，其可用于检测任何气体，因此具有高度的通用性，适用于多种应用领域。
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