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如何通过设计优化提高激光芯片(如VCSEL、DFB激光器)的阈值电流?
材料来源:芯片工艺技术           录入时间:2024/6/18 22:46:54

要通过设计优化提高激光芯片(如VCSEL、DFB激光模块)的阈值电流,可以从以下几个方面入手:

1. 材料和结构参数优化:

  • 对于硅基DFB激光器,可以通过调整脊宽、刻蚀深度、光栅厚度和光栅位置等结构参数来优化其整体性能,从而降低阈值电流。例如,通过这些参数的优化,可以实现最佳的DFB激光器,其阈值电流可以低至5 mA。
  • 在VCSEL的设计中,也可以通过优化腔长等结构参数来降低阈值电流。阈值电流密度(Jth)是衡量阈值电流的一个重要指标,通过理论计算和实验验证,可以找到最优的结构参数。

2. 外延材料设计与优化:

  • 通过外延材料设计与优化,可以提升芯片的内量子效率,降低腔内光学损耗,从而有效降低阈值电流。例如,在808nm激光芯片的研究中,通过外延材料的优化,成功提升了芯片的性能。

3. 支撑结构优化:

  • 对于可调谐VCSEL,可以通过优化支撑结构来提升器件的机械与调谐特性,这种设计无需引入额外的工艺步骤,且与其他材料和结构优化方式具有良好的兼容性。

4. 高温环境下的稳定性:

  • 在高温环境下工作时,需要确保VCSEL的阈值电流低,以保持其稳定性。早期的研究表明,通过材料和结构的优化,VCSEL可以在高温环境下(80-90℃)稳定工作。

5. 综合考虑多种因素:

在设计过程中,需要综合考虑材料生长工艺、器件结构、外延材料设计等多个方面,以实现低阈值电流及室温工作的目标。

目前市场上哪些品牌或型号的VCSEL和DFB激光模块具有最高效率且低阈值电流的特点?

目前市场上具有最高效率且低阈值电流特点的VCSEL和DFB激光模块主要包括以下几个品牌或型号:

1. VCSEL激光器:

  • VCSEL激光器以其低阈值电流(约1mA)和高输出功率而著称。它们在通信应用中表现出色,特别是在高性能的数据传输领域。此外,VCSEL激光器还具有低功耗、高调制带宽和高电光转换效率等优点。
  • Trumpf和Optomind展示了在800Gbps收发器中的100Gbps VCSEL解决方案,这表明其在长距离互连(如100米)中的应用潜力。

2. DFB激光器:

  • DFB激光器采用分布反馈光栅层和边发射脊波导结构,具有低阈值和高出光功率的特点。这种设计使得DFB激光器适用于高数据速率的长距离传输。
  • Photodigm的DBR激光器虽然与DFB激光器类似,但其性能和可靠性更高,因此也值得关注。

VCSEL和DFB激光器都在市场上表现出色,具有高效率和低阈值电流的特点。

激光芯片(如VCSEL、DFB激光模块)的阈值电流对环境和使用寿命有何影响?

激光芯片(如VCSEL、DFB激光模块)的阈值电流对环境和使用寿命有显著影响。以下是详细分析:

一般来说,激光器的阈值电流越小,其使用寿命越长;反之,阈值电流越大,使用寿命越短。这是因为较低的阈值电流意味着在较低的工作电流下就能产生稳定的激光输出,从而减少了器件的热负荷和功耗,延长了使用寿命。

激光器的使用寿命受到环境温度、湿度和尘埃等因素的影响。例如,在高温环境下,激光器的寿命会显著缩短。具体来说,某些激光器在室温20℃下的寿命为10万小时,但在70℃下只有2300小时。这表明温度是影响激光器寿命的一个重要因素。

激光器的温度控制是其正常工作的前提。p-n结的温度改变会导致发光阈值电流的改变,从而影响激光器的寿命。因此,合理的热管理措施,如使用热敏电阻和TEC(Thermo-Electric Cooler)来控制激光器的温度,是确保其长期稳定运行的关键。

通过高温加速老化方法可以预测激光器在正常工作温度下的退化机理,从而更准确地评估其寿命。这种方法通过模拟高温环境下的老化过程,可以提前发现潜在的问题,并采取相应的改进措施。

随着技术的进步,新的材料和设计方法被开发出来,以提高激光器的性能和可靠性。例如,基于GaN的VCSEL通过优化电流限制层,可以在高注入电流下保持更好的散热和电流限制特性,从而提高了器件的整体性能和使用寿命。

转自:芯片工艺技术

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