普賽斯儀表：VCSEL激光器的光電特性與高效可靠的測試解決方案

  ICC訊 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種激光發(fā)射方向垂直于P-N結平面，而諧振腔面平行于P-N結平面的半導體激光器，它屬于面發(fā)射激光器的一種。而EEL邊射型激光器的光則是沿著(zhù)水平方向，由芯片的邊緣射出。與EEL相比，VCSEL的生產(chǎn)過(guò)程更具經(jīng)濟效益并且響應快，因此在越來(lái)越多的應用中取代了傳統的邊發(fā)射激光器。

  垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL具有復雜的半導體結構，但其封裝結構一般更為簡(jiǎn)單。不同于邊緣發(fā)射激光二極管，EEL需要解理成Bar條才能進(jìn)行檢測良品與否，而VCSEL在封裝前就可以對芯片進(jìn)行檢測，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的風(fēng)險成本。VCSEL生產(chǎn)過(guò)程有三道檢測工序，這三道工序都需要脈沖電流源對器件進(jìn)行測試?？焖?、靈活且精度高的測試方案對于減小測試的成本至關(guān)重要。

  VCSEL常見(jiàn)測試參數特性分析

  VCSEL器件廣泛應用于3D人臉識別和距離傳感。當VCSEL陣列用于TO F模組，特別是激光雷達一類(lèi)的dTOF系統時(shí)，VCSEL在窄脈沖情況下的峰值功率、工作電流、工作電壓、轉化效率、近遠場(chǎng)光學(xué)特性等參數對于芯片供應商、封裝服務(wù)商、模組集成商等都非常重要。VCSEL和VCSEL陣列，包括各種激光二極管標準檢測的關(guān)鍵電性能技術(shù)參數，常見(jiàn)如激光二極管正向壓降(VF)、KinK點(diǎn)測試/線(xiàn)性度測試(dL/dI)、閾值電流(Ith)、輸出光功率等(PO)以及斜率效率(Es)等。LIV測試是確定VCSEL關(guān)鍵性能參數的一種快速簡(jiǎn)單的方法，它將兩條測量曲線(xiàn)組合在一個(gè)圖形中 。 L/I 曲線(xiàn)顯示了激光器的光強度對工作電流的依賴(lài)性，并用于確定工作點(diǎn)和閾值電流。V/I 曲線(xiàn)顯示了施加到激光器的電壓作為工作電流的函數。通過(guò)LIV(光強-電流-電壓)測試，可以評估VCSEL絕大多數電參數特性及最佳輸出光功率。

  雷達輸出的激光脈寬越窄,測距精度越高;峰值光功率越大，一般需要至百瓦，測試距離越遠。因此研究高注入電流的高峰值光功率VCSEL芯片十分關(guān)鍵。而大功率激光器使用直流或者寬脈沖加電時(shí)發(fā)熱嚴重,激光器特效受溫度影響非常大,直流或寬脈沖下的測試結果并不能反映器件特性。因此為了測量VCSEL器件在真實(shí)工作場(chǎng)景下的性能，就需要微秒甚至納秒級驅動(dòng)和測試能力的測試設備對其進(jìn)行測試，這是目前傳統直流或者寬脈沖的測試表具不能滿(mǎn)足的。

  PL系列窄脈沖LIV測試系統典型方案

  為了滿(mǎn)足VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈對窄脈沖LIV測試的需求，普賽斯儀表和多應用領(lǐng)域的頭部企業(yè)進(jìn)行了深入的探討，結合產(chǎn)業(yè)需求以及自身技術(shù)沉淀，推出了PL窄脈沖LIV測試系統，產(chǎn)品具有輸出電流脈沖窄(ns級)、輸出脈沖電流大(30A)、支持脈沖光峰值功率檢測、支持激光器電壓測量、超快上升速度等功能。

  PL系列窄脈沖LIV測試系統構成如上圖所示:PL系列脈沖源、測試夾具、積分球、光纖、光譜儀等,光譜儀用戶(hù)可以根據自己的需求選擇另購。

  測試原理

  LIV測試采用對VCSEL脈沖電流供電，測量器件兩端電壓和器件輸出光功率。使用普賽斯PL系列脈沖恒流源搭配光譜儀可以構造標準的VCSEL光功率測試系統：PL測試系統作為精密的電流脈沖源，驅動(dòng)VCSEL激光器發(fā)出不同波長(cháng)的激光，激光經(jīng)過(guò)特制的積分球來(lái)進(jìn)行收光，積分球將具有一定發(fā)散角的光進(jìn)行能量衰減，然后使用PD進(jìn)行光電轉換隨后系統對光電流進(jìn)行快速采樣，從而達到精準測算激光器所輸出的激光功率。經(jīng)典的測試原理配合普賽斯PL測試系統出色的性 能和嚴格的指標要求，幫助用戶(hù)完成了一系列富有挑戰的測試項目。

  集多表功能于一體:快速脈沖發(fā)生器+程控電流源+峰值取樣光功率計+脈沖電壓表

  1.PL系列LIV測試系統具有同步性能好、測試速度快、完整化的解決方案等特點(diǎn)。

  2.通過(guò)15MS/s的數字化功能，實(shí)現脈沖發(fā)生器0.1%基本測量精度;

  3.超窄至ns級的脈沖，占空比可低至0.01%;

  4.多個(gè)精密光電流測試量程;

  5.上位機LIV算法，支持各種參數的自動(dòng)計算，簡(jiǎn)化應用。

  脈沖高保真:脈沖無(wú)過(guò)沖、無(wú)振蕩

  1.PL系列LIV測試系統能確保在輸出電流能力范圍內輸出μs級脈沖時(shí)，脈沖均不會(huì )出現過(guò)沖和振蕩。最快脈沖上升時(shí)間300A/μs，確保用戶(hù)可以正確檢測電路或者待測器件。

  2.最大30A脈沖電流輸出;

  3.兼容CW和QCW模式，精密的脈沖寬度可調節技術(shù);

  4.超高速脈沖采樣技術(shù)，確保在窄脈沖下采樣數據準確。

  更大的測試電流

  隨著(zhù)大功率激光器的迅猛發(fā)展，激光器的驅動(dòng)電流越來(lái)越大，導致30A都不能滿(mǎn)足部分激光器的驅動(dòng)需求。此時(shí)，我們可以通過(guò)并聯(lián)多達4臺普賽斯PL系列設備，提供最大120A、μs級脈寬的驅動(dòng)電流，仍然在同一個(gè)上位機軟件上實(shí)現大功率激光器的LIV測試。

  上位機測試軟件

  為了滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求，普賽斯PL系列窄脈沖LIV測試系統配有專(zhuān)用上位機軟件。在軟件中可直接設置多項測試參數，測試完成后軟件會(huì )自動(dòng)計算處相關(guān)參數，以方便客戶(hù)實(shí)現快速測試，提高測試效率。

  光學(xué)特性參數測試

  另外，在VCSEL光譜特性等光學(xué)參數項目測量中，測試機仍需要電流源為器件供電，根據實(shí)際應用有CW和QCW模式兩種。推薦使用普賽斯PL系列窄脈沖測試系統集成使用，PL系列作為恒流電流源也可同時(shí)為光譜儀、其他自動(dòng)化設備、擴展接口等提供I/O接口及合理設計的測試夾具，從而實(shí)現測試機的全參數自動(dòng)化測試。

  *測試注意：等效電感對窄脈沖測試的影響

  如圖，夾具和輸出線(xiàn)路都有分布式電感參數，尤其是電感對窄脈沖的影響尤為重要。重點(diǎn)體現在脈沖較窄的情況下，因為很快的電流上升速度(di/dt)，再乘上電感L，會(huì )導致一個(gè)很大的反壓;同樣，電流下降速度很大時(shí)，也會(huì )有類(lèi)似的問(wèn)題出現。這個(gè)過(guò)沖或者反向過(guò)沖會(huì )導致器件的損壞。

  *測試夾具的類(lèi)型

  針對窄脈沖的測試需求，普賽斯設計了適配各種封裝的夾具。夾具設計需要滿(mǎn)足分布參數小、可支持溫控、積分球手動(dòng)一體化等，能滿(mǎn)足各種情況下對VCSEL不同封裝器件的測試需求。部分夾具圖如下：

  豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，多通道老化電源滿(mǎn)足VCSEL激光器老化測試需求

  從半導體激光器面世以來(lái)，由于其材料及結構特性，面臨著(zhù)使用壽命衰減的問(wèn)題，需要對激光器芯片進(jìn)行老化測試，篩選出有潛在質(zhì)量問(wèn)題的元器件，滿(mǎn)足其百萬(wàn)小時(shí)級的工作時(shí)間。針對VCSEL測試系統老化電源的需求，普賽斯豐富的產(chǎn)品線(xiàn)同樣可以完美應對。多通道老化電源，最大可到40CH，各通道可獨立控制、同步測試、獨立輸出，配置靈活，幫助VCSEL的老化測試實(shí)現精準、高效。

  關(guān)于普賽斯儀表

  武漢普賽斯儀表有限公司是武漢普賽斯電子技術(shù)有限公司的全資子公司，一 直專(zhuān)注于半導體的電性能測試儀表的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售，致力于滿(mǎn)足半導體領(lǐng)域從材料、晶圓到器件測試用科學(xué)儀器的國產(chǎn)替代需求。

  基于普賽斯電子領(lǐng)先的光學(xué)與光電技術(shù)、微弱信號處理與抗干擾技術(shù)、高速數字信號處理、核心算法與系統集成等技術(shù)平臺優(yōu)勢，公司率先自主研發(fā)了高精度臺式數字源表、脈沖式源表、窄脈沖電流源、集成插卡式源表、高精度的超大電流源、高精度高壓電源、數據采集卡等國產(chǎn)化電性能測試儀表，以及mini LED測試系統、電流傳感器測試系統、功率器件靜態(tài)參數測試系統等。產(chǎn)品以其測試精度高、速度快、兼容性強、測試范圍寬、可靠性高、操作簡(jiǎn)便以及快捷靈活的響應式服務(wù)等優(yōu)勢，廣泛應用于新型半導體器件材料分析、半導體分立器件測試、集成電路測試、高校教學(xué)實(shí)訓平臺等應用;為客戶(hù)提供模塊化硬件、高效驅動(dòng)程序和高效算法軟件組合，幫助用戶(hù)構建自定義解決方案， 同時(shí)滿(mǎn)足行業(yè)對測試效率、測試精度、 供應鏈安全以及 規?；奶魬?。