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(jié)平面，而諧振腔面平行于P-N結(jié)平面的半導(dǎo)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水平方向，由芯片的邊緣射出。與EEL相比，VCSEL的生產(chǎn)過程更具經(jīng)濟效益并且響應(yīng)快，因此在越來越多的應(yīng)用中取代了傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器。

  垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL具有復(fù)雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，但其封裝結(jié)構(gòu)一般更為簡單。不同于邊緣發(fā)射激光二極管，EEL需要解理成Bar條才能進行檢測良品與否，而VCSEL在封裝前就可以對芯片進行檢測，進行產(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行測試?？焖佟㈧`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常見測試參數(shù)特性分析

  VCSEL器件廣泛應(yīng)用于3D人臉識別和距離傳感。當(dāng)VCSEL陣列用于TO F模組，特別是激光雷達一類的dTOF系統(tǒng)時，VCSEL在窄脈沖情況下的峰值功率、工作電流、工作電壓、轉(zhuǎn)化效率、近遠場光學(xué)特性等參數(shù)對于芯片供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)檢測的關(guān)鍵電性能技術(shù)參數(shù)，常見如激光二極管正向壓降(VF)、KinK點測試/線性度測試(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(shù)的一種快速簡單的方法，它將兩條測量曲線組合在一個圖形中 。 L/I 曲線顯示了激光器的光強度對工作電流的依賴性，并用于確定工作點和閾值電流。V/I 曲線顯示了施加到激光器的電壓作為工作電流的函數(shù)。通過LIV(光強-電流-電壓)測試，可以評估VCSEL絕大多數(shù)電參數(shù)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發(fā)熱嚴重,激光器特效受溫度影響非常大,直流或?qū)捗}沖下的測試結(jié)果并不能反映器件特性。因此為了測量VCSEL器件在真實工作場景下的性能，就需要微秒甚至納秒級驅(qū)動和測試能力的測試設(shè)備對其進行測試，這是目前傳統(tǒng)直流或者寬脈沖的測試表具不能滿足的。

  PL系列窄脈沖LIV測試系統(tǒng)典型方案

  為了滿足VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈對窄脈沖LIV測試的需求，普賽斯儀表和多應(yīng)用領(lǐng)域的頭部企業(yè)進行了深入的探討，結(jié)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(tǒng)，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(tǒng)構(gòu)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,光譜儀用戶可以根據(jù)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(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的VCSEL光功率測試系統(tǒng)：PL測試系統(tǒng)作為精密的電流脈沖源，驅(qū)動VCSEL激光器發(fā)出不同波長的激光，激光經(jīng)過特制的積分球來進行收光，積分球?qū)⒕哂幸欢òl(fā)散角的光進行能量衰減，然后使用PD進行光電轉(zhuǎn)換隨后系統(tǒng)對光電流進行快速采樣，從而達到精準(zhǔn)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(tǒng)出色的性 能和嚴格的指標(biāo)要求，幫助用戶完成了一系列富有挑戰(zhàn)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(tǒng)具有同步性能好、測試速度快、完整化的解決方案等特點。

  2.通過15MS/s的數(shù)字化功能，實現(xiàn)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.多個精密光電流測試量程;

  5.上位機LIV算法，支持各種參數(shù)的自動計算，簡化應(yīng)用。

  脈沖高保真:脈沖無過沖、無振蕩

  1.PL系列LIV測試系統(tǒng)能確保在輸出電流能力范圍內(nèi)輸出μs級脈沖時，脈沖均不會出現(xiàn)過沖和振蕩。最快脈沖上升時間300A/μs，確保用戶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(diào)節(jié)技術(shù);

  4.超高速脈沖采樣技術(shù)，確保在窄脈沖下采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

  更大的測試電流

  隨著大功率激光器的迅猛發(fā)展，激光器的驅(qū)動電流越來越大，導(dǎo)致30A都不能滿足部分激光器的驅(qū)動需求。此時，我們可以通過并聯(lián)多達4臺普賽斯PL系列設(shè)備，提供最大120A、μs級脈寬的驅(qū)動電流，仍然在同一個上位機軟件上實現(xiàn)大功率激光器的LIV測試。

  上位機測試軟件

  為了滿足用戶的使用需求，普賽斯PL系列窄脈沖LIV測試系統(tǒng)配有專用上位機軟件。在軟件中可直接設(shè)置多項測試參數(shù)，測試完成后軟件會自動計算處相關(guān)參數(shù)，以方便客戶實現(xiàn)快速測試，提高測試效率。

  光學(xué)特性參數(shù)測試

  另外，在VCSEL光譜特性等光學(xué)參數(shù)項目測量中，測試機仍需要電流源為器件供電，根據(jù)實際應(yīng)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(tǒng)集成使用，PL系列作為恒流電流源也可同時為光譜儀、其他自動化設(shè)備、擴展接口等提供I/O接口及合理設(shè)計的測試夾具，從而實現(xiàn)測試機的全參數(shù)自動化測試。

  *測試注意：等效電感對窄脈沖測試的影響

  如圖，夾具和輸出線路都有分布式電感參數(shù)，尤其是電感對窄脈沖的影響尤為重要。重點體現(xiàn)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，會導(dǎo)致一個很大的反壓;同樣，電流下降速度很大時，也會有類似的問題出現(xiàn)。這個過沖或者反向過沖會導(dǎo)致器件的損壞。

  *測試夾具的類型

  針對窄脈沖的測試需求，普賽斯設(shè)計了適配各種封裝的夾具。夾具設(shè)計需要滿足分布參數(shù)小、可支持溫控、積分球手動一體化等，能滿足各種情況下對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，多通道老化電源滿足VCSEL激光器老化測試需求

  從半導(dǎo)體激光器面世以來，由于其材料及結(jié)構(gòu)特性，面臨著使用壽命衰減的問題，需要對激光器芯片進行老化測試，篩選出有潛在質(zhì)量問題的元器件，滿足其百萬小時級的工作時間。針對VCSEL測試系統(tǒng)老化電源的需求，普賽斯豐富的產(chǎn)品線同樣可以完美應(yīng)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的老化測試實現(xiàn)精準(zhǔn)、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 直專注于半導(dǎo)體的電性能測試儀表的開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，致力于滿足半導(dǎo)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(shù)字信號處理、核心算法與系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)采集卡等國產(chǎn)化電性能測試儀表，以及mini LED測試系統(tǒng)、電流傳感器測試系統(tǒng)、功率器件靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)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、操作簡便以及快捷靈活的響應(yīng)式服務(wù)等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于新型半導(dǎo)體器件材料分析、半導(dǎo)體分立器件測試、集成電路測試、高校教學(xué)實訓(xùn)平臺等應(yīng)用;為客戶提供模塊化硬件、高效驅(qū)動程序和高效算法軟件組合，幫助用戶構(gòu)建自定義解決方案， 同時滿足行業(yè)對測試效率、測試精度、 供應(yīng)鏈安全以及 規(guī)模化的挑戰(zhàn)。