封装对大功率VCSEL窄脉冲发光特性的影响

颜颖颖; 陈志文; 邱剑; 刘克富; 张建伟

doi:doi:10.3788/AOS202040.0814001

光学学报, 2020, 40 (8): 0814001, 网络出版: 2020-04-13

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Effect of Package on Luminescence Characteristics of High-Power VCSEL with Narrow Pulse

论文大纲

颜颖颖 ^1,2陈志文 ^1,2邱剑 ^1,2,*刘克富 ^1,2张建伟 ³

作者单位

¹ 复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心, 上海 200433

² 复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系, 上海 200433

³ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室, 吉林长春 130033

激光光学垂直腔面发射激光器激光雷达测距窄脉冲高功率 laser optics vertical cavity surface emitting laser LiDAR narrow pulse high power

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摘要

相比传统边发射激光器,垂直腔面发射激光器(VCSEL)光束质量高、可靠性高,在激光雷达测距(LiDAR)领域有广泛的应用前景。主要研究直插式TO(transistor outline)封装VCSEL和裸芯片VCSEL在窄脉冲大电流条件下的发光特性,通过Pspice参数扫描分析结合实验结果和理论计算,比较了两种封装激光器的杂散参数大小,并分析了其对激光器发光特性的影响。推导出了脉冲条件下VCSEL的功率转换效率公式,并分析了杂散参数对VCSEL功率转换效率的影响。

Abstract

The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) offers higher beam quality and reliability compared with the traditional edge emitting laser. It has significant application prospects in light imaging detection and ranging (LiDAR). The luminescence characteristics of a VCSEL with TO (transistor outline) package and a VCSEL with bare chip are examined under the narrow pulse and large current conditions. Using Pspice parameter scanning analysis, the experimental results combined with the theoretical calculation are used to compare the sizes of stray parameters and to analyze their effects on the luminescence characteristics of these two encapsulated lasers. Moreover, the formula about power conversion efficiency of a VCSEL under the pulse condition is derived and the influence of stray parameters on the power conversion efficiency of a VCSEL is analyzed.

1 引言

垂直腔面发射激光器(VCSEL)相比边发射激光器有多项优点:光束质量高,光束发散角小,出射的圆形光斑利于光纤耦合;可靠性高,不受光学灾变损伤影响,波长相对温度漂移低(约0.065 nm/C,边发射激光器0.3 nm/C^[1]);光束垂直电极出射,可以直接进行芯片级二维VCSEL阵列集成,提高输出功率。国际上Trilumina公司单个910 nm波段VCSEL阵列在100 A电流驱动下输出激光功率约为16 W^[2]。国内中国科学院长春光学精密机械与物理研究所单个910 nm波段VCSEL阵列在70 A电流驱动下功率达25.5 W^[3],单个980 nm波段VCSEL阵列在95 A电流驱动下输出功率达62 W^[4]。VCSEL阵列的优点使其在各个领域都有极高的应用价值,如光通信^[5-6]、3D成像^[7],特别是激光雷达测距(LiDAR)^[8-9]。

基于飞行时间测距法(TOF)的LiDAR系统的测距原理是通过驱动产生窄脉冲大电流,进而驱动激光器产生光脉冲照射被测物体,部分激光被反射后被探测器接收^[10],通过计算激光从发射到接收的时间差,得到被测物体的距离。为了保证系统的测距精度足够高,LiDAR输出的激光脉宽范围是1~25 ns;峰值电流最好能达到百安培量级,这样才能保证激光脉冲上升沿足够快,此时回路中的电感L₀对脉冲电路的性能影响显著^[8]。对于上升沿只有几纳秒的脉冲电流,即使是几百皮亨的电感就足以对脉冲电流波形产生极大影响,脉宽越窄,L₀的影响越显著^[11]。在减小回路电感方面,TI公司^[12]将放电回路分为两条完全对称的回路,将L₀减小为单路的1/2。Reusch等^[13]通过减小回路长度、磁通量自抵消,将L₀减小40%。Wens等^[14]将开关与其前置驱动集成在一起,获得2.2 ns脉冲电流上升沿。在电路中杂散电感得到最大程度优化的条件下,由于激光器不同封装类型引入的电感大小不同^[15],器件的封装是需要重点关注的部分。

本文以TO(transistor outline)封装VCSEL和裸芯片VCSEL为例,通过仿真及实验比较了不同封装VCSEL在窄脉冲大电流条件下的发光特性。目前多数文献中研究的是VCSEL的直流^[16]或准直流^[7]特性,但对大功率脉冲条件下VCSEL特性和功率转换效率研究较少。通过直流功率转换效率公式,得到脉冲条件下VCSEL功率转换效率公式,并对比两种封装对VCSEL脉冲的功率转换效率的影响。

2 激光器及驱动电路简介

所使用的是长春光学精密机械与物理研究所提供的高功率、高效率VCSEL阵列,如图1所示。该阵列含有16个间隔为150 μm,出光孔径为150 μm的发光单元;有源区包含3个In_0.2GaAs/GaAs_0.92P应变量子阱,发射波长为980 nm;有源区上下两侧是分布式布拉格反射镜(DBR),由Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As材料以1/4光学波长的厚度反复堆叠组成;底层DBR包含28层反射镜,顶层DBR包含30层反射镜;在P型DBR与有源层间有一层选择性氧化的限制层,由30 nm厚的高铝材料AlAs构成,用于限制电流和光场。

图 1. VCSEL阵列的横截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional diagram of VCSEL array

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裸芯片VCSEL如图2所示,VCSEL通过若干金线与焊盘直接建立电气连接。TO封装VCSEL如图3、4所示。基板被分为两部分,其中一部分通过焊料与VCSEL底部电极直接贴合,另一部分通过金线与VCSEL顶部电极建立电气连接,基板的两部分再通过金线键合分别与两个引脚建立电气连接。对比二者,TO封装VCSEL中的金线、基板及引脚会引入一定杂散参数。

图 2. 裸芯片VCSEL实物图

Fig. 2. Photograph of VCSEL with bare chip

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图 3. TO封装VCSEL实物图。(a)侧面图;(b)俯视图

Fig. 3. Photograph of VCSEL with TO package. (a) Side view; (b) top view

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图 4. TO封装VCSEL。(a)结构示意图;(b)等效电路图

Fig. 4. VCSEL with TO package. (a) Diagram of configuration; (b) equivalent circuit

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驱动电路的简化图^[17-18]如图5所示,为了使输出激光在脉宽为25 ns时有较高的功率,放电电容C取10 nF。M₁为开关,R₁为1 kΩ的限流电阻,L_x为回路杂散电感,R_x为回路杂散电阻。VCSEL等效电路模型^[19-20]中R₀代表芯片电阻,C'代表结电容,R_s代表封装引入电阻,L_s代表封装引入电感。由于结电容为pF量级,主要影响VCSEL的反向特性,而本文主要关注VCSEL正向发光特性,因此在仿真和理论分析部分将结电容忽略。

图 5. 驱动电路简化示意图

Fig. 5. Simplified diagram of drive circuit

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印制电路板(PCB)简化图如图6所示,主要通过三种方法来减小回路电感:M₁使用的是GaN System公司的GaN开关GS61008P,GaN开关速度快,采用芯片级封装;放电回路通过孔垂直于电路板平面,顶层和底层的电流流向相反,磁通量相互抵消;PCB厚度为0.8 mm,减小了放电回路长度。通过测量负载短路时回路电流的振荡周期,计算到L_x数值约为1.7 nH,R_x数值约为0.08 Ω。

图 6. PCB简化示意图。(a)俯视图;(b)仰视图;(c)侧视图

Fig. 6. Simplified diagram of PCB. (a) Top view; (b) bottom view; (c) side view

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电路工作时,首先将开关断开,电源通过限流电阻对电容进行充电,接着开关在较长一段时间内保持闭合,电容在此期间完全放电,可以近似为电阻电感电容(RLC)串联二阶电路。该电路的特点是:回路中的杂散电感是电路组成不可或缺的一部分;光脉冲脉宽取决于电容值,因此脉冲驱动宽度可以大于光脉宽;可以通过提高电容初始充电电压来减小电容值,得到高功率窄脉宽的光脉冲。

3 电路仿真及结果讨论

由于驱动电路可以近似为RLC串联二阶电路,根据RLC放电回路结构,列出回路方程:

L \frac{d i}{d t} + Ri + \frac{1}{C} \int i d t = u_{0}, (1)

式中:L和R是回路的总电感和总电阻;u₀是电容上的初始电压。一般脉冲电路参数满足R<2 $\sqrt[]{L / C}$ ,电路处于欠阻尼振荡状态,振荡周期为

T = \frac{2 π}{\sqrt[]{\frac{1}{LC} - \frac{R^{2}}{4 L^{2}}}} 。 (2)

电流幅值为

I_{\max} = \frac{u_{0}}{\sqrt[]{\frac{L}{C} - \frac{R^{2}}{4}}} 。 (3)

VCSEL两端电压与电流关系为

\begin{array}{l} \overset{\cdot}{U} = I_{\max} Z e^{- \frac{R}{2 L} t} \sin (ωt + φ), (4) \\ φ = \arctan \frac{L_{s}}{R_{s} + R_{0}}, (5) \\ ω = \frac{2 π}{T}, (6) \end{array}

式中:Z是VCSEL阻抗绝对值;φ是电流电压的相位差。由(2)、(3)、(5)、(6)式可得,当封装引入的杂散电感和电阻增大时,脉冲电流的脉宽增大,幅值减小,同时电流与电压间的相位差增大。在不考虑探测器的精度下,LiDAR系统理论的测距精度^[14]为

σ_{r} \propto \frac{c}{2} \cdot t_{rise} \cdot \frac{1}{\sqrt[]{\frac{S}{N}}}, (7)

式中:t_rise是激光脉冲的上升时间; $\sqrt[]{\frac{S}{N}}$ 是反射信号的信噪比,与激光功率成正比。为了提高LiDAR的测距精度,应使L_s、R_s尽量小。以下通过Pspice仿真验证杂散电感L_s和杂散电阻R_s对放电回路的影响。

3.1 封装引入的杂散电感对放电回路的影响

图7为保持其余参数不变,L_s取0.5,5,10 nH时,VCSEL两端电压与电流仿真波形图。随着L_s取值增大,脉冲电流幅值减小,脉宽增大,反向电流值增大,VCSEL两端电压与电流相位差增大。

图 7. L_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 7. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different L_s (C=10 nF, V=90 V)

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3.2 封装引入的杂散电阻对放电回路的影响

图8为保持其余参数不变,R_s取0.3,0.5,0.8 Ω时,VCSEL两端电压与电流仿真波形图。随着R_s取值的增大,脉冲电流幅值减小,脉宽增大,反向电流值减小,R_s对VCSEL两端电压与电流相位差影响较小。

图 8. R_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 8. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different R_s (C=10 nF, V=90 V)

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仿真结果验证了回路中的杂散电感和杂散电阻的增大会减小脉冲电流幅值,增大脉宽。进一步推测,这些杂散参数将使发射的激光脉冲上升沿减缓,激光峰值功率减小。同时根据(7)式,这两项参数的变化会使LiDAR系统的测距精度减小。

4 不同封装的VCSEL阵列脉冲实验结果

通过实际电路实验对比TO封装和裸芯片VCSEL的电光转换效果,比较两种封装引入回路的杂散参数大小,验证杂散参数对激光器发光特性的影响。电路中放电主电容为10 nF,充电电压范围为30~90 V,回路电流通过对电容两端电压求导得到。

图9分别为在电压为90 V时TO封装和裸芯片VCSEL的两端电压和电流波形图,结合第3节理论及仿真分析可知,TO封装VCSEL引入的寄生电感及电阻值较大,使得VCSEL两端电压和流过的电流有明显的相位差。同时在相同电路参数情况下,TO封装的VCSEL相对裸芯片VCSEL回路中的电流幅值小(TO封装VCSEL的峰值电流为45 A,裸芯片VCSEL的峰值电流为53 A,增长17.8%)、脉宽长(TO封装VCSEL的脉宽为25.5 ns,裸芯片VCSEL的脉宽为19.8 ns,减少22.4%)。电感对电流的影响直接导致前者发出的光脉冲相对后者峰值功率小(TO封装VCSEL的峰值功率为18 W,裸芯片VCSEL的峰值功率为26.7 W,增长48.3%)、脉宽长,如图10所示。

图 9. VCSEL两端电压与电流脉冲波形图 (C=10 nF, V=90 V)。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 9. Pulse waveforms of voltage and current at both ends of VCSEL (C=10 nF, V=90 V). (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

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图 10. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的光脉冲波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 10. Optical pulse waveforms of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=90 V)

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根据图9得到TO封装和裸芯片VCSEL回路的振荡周期T分别为85 ns和60 ns,TO封装VCSEL两端电压电流相位差约为(1/25)π。根据图11曲线拟合得到裸芯片VCSEL的电压-电流曲线斜率为0.33 Ω,TO封装VCSEL的电压-电流曲线斜率为1 Ω。将参数代入(2)、(5)式进行初步估算,结合实际电路波形进行参数微调后,得到当电路L_x=1.775 nH,R_x=0.15 Ω,R_s1+R₀=0.33 Ω,L_s1=0.4 nH,R_s2+R₀=0.88 Ω,L_s2=11.36 nH时,仿真与实验波形的对比,如图12所示。

图 11. TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL的峰值电流与峰值电压关系图

Fig. 11. Relationship between peak current and peak voltage for VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip

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图 12. 仿真与实验波形对比。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 12. Comparison of simulated and experimental waveform. (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

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基于以上分析,TO封装VCSEL相对裸芯片VCSEL,杂散参数中杂散电感占主要部分,约为11 nH,杂散电阻次之,约为0.55 Ω。

杂散参数除了影响回路脉冲电流幅值脉宽,还会影响VCSEL的功率转换效率。

根据文献[ 21],有

\begin{array}{l} P_{out} = η_{e} (ћ ν / q) (I - I_{th}), (8) \\ V (I) = V_{0} + I R_{D}, (9) \\ η_{c} (I) = η_{e} (ћ ν / q) [(I - I_{th}) / I (V_{0} + I R_{D})], (10) \\ η_{c} (I) = \frac{P_{out} (I)}{V (I) \cdot I}, (11) \end{array}

式中:P_out是输出光功率;ћν是光子能量;q是电子电荷量;η_e是外部差分量子效率;I_th是阈值电流;V₀是导通电压,R_D是二极管的串联电阻,η_c是功率转换效率。在脉冲情况下,电流、电压、光功率是以脉冲形式出现的,无法以某一固定值表示,因此将(11)式中分子分母同时对时间t进行积分,得到

η_{c} (I) = \frac{\int P_{out} (I) d t}{\int V (I) \cdot I d t} = \frac{E_{out}}{\int VI d t}, (12)

式中:E_out为能量计所测单个光脉冲所包含的能量。

如图13所示,在相同峰值电流情况下,TO封装VCSEL的峰值功率相比裸芯片VCSEL平均低5 W左右,原因是TO封装的VCSEL引入的寄生电阻消耗了部分能量。电流电压存在相位差,二者相乘所得的瞬时功率中有无功分量,使得在相同电流情况下,TO封装VCSEL的功率转换效率比裸芯片VCSEL低,如图14所示。

图 13. TO封装VCSE与裸芯片VCSEL的光脉冲峰值功率与峰值电流关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 13. Relationship between peak power of optical pulse and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

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图 14. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的功率转换效率与峰值电流的关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 14. Relationship between power conversion efficiency and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

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5 分析与讨论

TO封装是常用的封装方式,在直流及准直流等电流变化较慢的工作条件下使用较为广泛。通过分析可知,普通TO封装器件在电流变化迅速的电路中的性能受限,因此在窄脉冲大电流的工作系统中,应注意减小封装引入的杂散参数。根据图3所示的TO封装结构,可知杂散参数主要是由金线、基板及引脚引入的,可通过优化达到减小杂散参数的目的。

1) 对TO封装的改进。在不影响封装效果的前提下,保证电流回路尽量短,如用于键合的金线和器件的引脚尽量短;其次,尽可能使用多条金线进行键合,通过并联减小杂散参数。

2) 将放电回路部分集成一体,封装于一个管座中。由于在窄脉宽条件下工作,电容取值小,小型陶瓷电容即可满足器件选型。同时,新型GaN开关材料耐压高,其封装体积远小于传统硅基MOSFET,因此可以将激光芯片裸片、开关器件(或不带封装的开关芯片)、电容集成一体并封装于一个管座中。此时,整个管座大小接近原TO封装VCSEL管座大小,放电回路中各器件间距更小,减少了不必要的杂散参数。

3) 采用倒装结构的VCSEL进行密封封装,并将其倒装焊接在PCB电路板上。改变VCSEL结构,使出光面电极与底部电极连接到同一个底座,在底座制作凸焊点代替金线键合提供电气连接,使VCSEL可以直接焊在PCB焊盘上。这种改进方式无需金线和引脚,很大程度上减小了器件的杂散参数。

6 结论

通过对比TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL在窄脉冲大电流条件下的发光特性,研究了封装引入的杂散参数对VCSEL脉冲发光特性的影响。结合仿真及实验结果得出:TO封装VCSEL相比裸芯片VCSEL会引入更大的杂散参数,包括杂散电感、杂散电阻等,其中杂散电感占主要部分;杂散参数会使放电脉冲电流幅值更低,脉宽更长,导致输出光脉冲的峰值功率较低,脉宽较长,同时由于杂散电感的存在,电流与电压之间存在相位差,降低了VCSEL光源的功率转换效率。在一些需要快上升沿、窄脉宽、大功率激光的应用场景中,比如LiDAR,需要注意回路中杂散参数的控制,通过改进激光光源的封装,减少杂散参数的引入,可提高系统的功率转换效率。

参考文献

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1 引言

2 激光器及驱动电路简介

3 电路仿真及结果讨论

3.1 封装引入的杂散电感对放电回路的影响

3.2 封装引入的杂散电阻对放电回路的影响

4 不同封装的VCSEL阵列脉冲实验结果

5 分析与讨论

6 结论

颜颖颖, 陈志文, 邱剑, 刘克富, 张建伟. 封装对大功率VCSEL窄脉冲发光特性的影响[J]. 光学学报, 2020, 40(8): 0814001. Yingying Yan, Zhiwen Chen, Jian Qiu, Kefu Liu, Jianwei Zhang. Effect of Package on Luminescence Characteristics of High-Power VCSEL with Narrow Pulse[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(8): 0814001.

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1 引言

2 激光器及驱动电路简介

图 1. VCSEL阵列的横截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional diagram of VCSEL array

图 2. 裸芯片VCSEL实物图

Fig. 2. Photograph of VCSEL with bare chip

图 3. TO封装VCSEL实物图。(a)侧面图;(b)俯视图

Fig. 3. Photograph of VCSEL with TO package. (a) Side view; (b) top view

图 4. TO封装VCSEL。(a)结构示意图;(b)等效电路图

Fig. 4. VCSEL with TO package. (a) Diagram of configuration; (b) equivalent circuit

图 5. 驱动电路简化示意图

Fig. 5. Simplified diagram of drive circuit

图 6. PCB简化示意图。(a)俯视图;(b)仰视图;(c)侧视图

Fig. 6. Simplified diagram of PCB. (a) Top view; (b) bottom view; (c) side view

3 电路仿真及结果讨论

3.1 封装引入的杂散电感对放电回路的影响

图 7. L_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 7. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different L_s (C=10 nF, V=90 V)

3.2 封装引入的杂散电阻对放电回路的影响

图 8. R_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 8. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different R_s (C=10 nF, V=90 V)

4 不同封装的VCSEL阵列脉冲实验结果

图 9. VCSEL两端电压与电流脉冲波形图 (C=10 nF, V=90 V)。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 9. Pulse waveforms of voltage and current at both ends of VCSEL (C=10 nF, V=90 V). (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

图 10. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的光脉冲波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 10. Optical pulse waveforms of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=90 V)

图 11. TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL的峰值电流与峰值电压关系图

Fig. 11. Relationship between peak current and peak voltage for VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip

图 12. 仿真与实验波形对比。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 12. Comparison of simulated and experimental waveform. (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

图 13. TO封装VCSE与裸芯片VCSEL的光脉冲峰值功率与峰值电流关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 13. Relationship between peak power of optical pulse and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

图 14. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的功率转换效率与峰值电流的关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 14. Relationship between power conversion efficiency and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

5 分析与讨论

6 结论

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封装对大功率VCSEL窄脉冲发光特性的影响 下载： 1643次

1 引言

2 激光器及驱动电路简介

图 1. VCSEL阵列的横截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional diagram of VCSEL array

图 2. 裸芯片VCSEL实物图

Fig. 2. Photograph of VCSEL with bare chip

图 3. TO封装VCSEL实物图。(a)侧面图;(b)俯视图

Fig. 3. Photograph of VCSEL with TO package. (a) Side view; (b) top view

图 4. TO封装VCSEL。(a)结构示意图;(b)等效电路图

Fig. 4. VCSEL with TO package. (a) Diagram of configuration; (b) equivalent circuit

图 5. 驱动电路简化示意图

Fig. 5. Simplified diagram of drive circuit

图 6. PCB简化示意图。(a)俯视图;(b)仰视图;(c)侧视图

Fig. 6. Simplified diagram of PCB. (a) Top view; (b) bottom view; (c) side view

3 电路仿真及结果讨论

3.1 封装引入的杂散电感对放电回路的影响

图 7. Ls不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 7. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different Ls (C=10 nF, V=90 V)

3.2 封装引入的杂散电阻对放电回路的影响

图 8. Rs不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 8. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different Rs (C=10 nF, V=90 V)

4 不同封装的VCSEL阵列脉冲实验结果

图 9. VCSEL两端电压与电流脉冲波形图 (C=10 nF, V=90 V)。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 9. Pulse waveforms of voltage and current at both ends of VCSEL (C=10 nF, V=90 V). (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

图 10. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的光脉冲波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 10. Optical pulse waveforms of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=90 V)

图 11. TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL的峰值电流与峰值电压关系图

Fig. 11. Relationship between peak current and peak voltage for VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip

图 12. 仿真与实验波形对比。(a) TO封装VCSEL; (b) 裸芯片VCSEL

Fig. 12. Comparison of simulated and experimental waveform. (a) VCSEL with TO package; (b) VCSEL with bare chip

图 13. TO封装VCSE与裸芯片VCSEL的光脉冲峰值功率与峰值电流关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 13. Relationship between peak power of optical pulse and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

图 14. TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的功率转换效率与峰值电流的关系(C=10 nF, V=30~90 V)

Fig. 14. Relationship between power conversion efficiency and peak current of VCSEL with TO package and VCSEL with bare chip (C=10 nF, V=30--90 V)

5 分析与讨论

6 结论

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图 7. L_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 7. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different L_s (C=10 nF, V=90 V)

图 8. R_s不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图(C=10 nF, V=90 V)

Fig. 8. Voltage and current simulation waveforms at both ends of VCSEL with different R_s (C=10 nF, V=90 V)