普賽斯儀表：VCSEL激光器的光電特性與高效可靠的測(cè)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(jì)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(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(cè)良品與否，而VCSEL在封裝前就可以對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)成本。VCSEL生產(chǎn)過程有三道檢測(cè)工序，這三道工序都需要脈沖電流源對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試?？焖佟㈧`活且精度高的測(cè)試方案對(duì)于減小測(cè)試的成本至關(guān)重要。

  VCSEL常見測(cè)試參數(shù)特性分析

  VCSEL器件廣泛應(yīng)用于3D人臉識(shí)別和距離傳感。當(dāng)VCSEL陣列用于TO F模組，特別是激光雷達(dá)一類的dTOF系統(tǒng)時(shí)，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(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)特性等參數(shù)對(duì)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(cè)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(diǎn)測(cè)試/線性度測(cè)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(cè)試是確定VCSEL關(guān)鍵性能參數(shù)的一種快速簡(jiǎn)單的方法，它將兩條測(cè)量曲線組合在一個(gè)圖形中 。 L/I 曲線顯示了激光器的光強(qiáng)度對(duì)工作電流的依賴性，并用于確定工作點(diǎn)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(qiáng)-電流-電壓)測(cè)試，可以評(píng)估VCSEL絕大多數(shù)電參數(shù)特性及最佳輸出光功率。

  雷達(dá)輸出的激光脈寬越窄,測(cè)距精度越高;峰值光功率越大，一般需要至百瓦，測(cè)試距離越遠(yuǎn)。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(yán)重,激光器特效受溫度影響非常大,直流或?qū)捗}沖下的測(cè)試結(jié)果并不能反映器件特性。因此為了測(cè)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(jí)驅(qū)動(dòng)和測(cè)試能力的測(cè)試設(shè)備對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，這是目前傳統(tǒng)直流或者寬脈沖的測(cè)試表具不能滿足的。

  PL系列窄脈沖LIV測(cè)試系統(tǒng)典型方案

  為了滿足VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)窄脈沖LIV測(cè)試的需求，普賽斯儀表和多應(yīng)用領(lǐng)域的頭部企業(yè)進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)，產(chǎn)品具有輸出電流脈沖窄(ns級(jí))、輸出脈沖電流大(30A)、支持脈沖光峰值功率檢測(cè)、支持激光器電壓測(cè)量、超快上升速度等功能。

  PL系列窄脈沖LIV測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如上圖所示:PL系列脈沖源、測(cè)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(gòu)。

  測(cè)試原理

  LIV測(cè)試采用對(duì)VCSEL脈沖電流供電，測(cè)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(cè)試系統(tǒng)：PL測(cè)試系統(tǒng)作為精密的電流脈沖源，驅(qū)動(dòng)VCSEL激光器發(fā)出不同波長(zhǎng)的激光，激光經(jīng)過特制的積分球來進(jìn)行收光，積分球?qū)⒕哂幸欢òl(fā)散角的光進(jìn)行能量衰減，然后使用PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換隨后系統(tǒng)對(duì)光電流進(jìn)行快速采樣，從而達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)算激光器所輸出的激光功率。經(jīng)典的測(cè)試原理配合普賽斯PL測(cè)試系統(tǒng)出色的性 能和嚴(yán)格的指標(biāo)要求，幫助用戶完成了一系列富有挑戰(zhàn)的測(cè)試項(xiàng)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(jì)+脈沖電壓表

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

  2.通過15MS/s的數(shù)字化功能，實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生器0.1%基本測(cè)量精度;

  3.超窄至ns級(jí)的脈沖，占空比可低至0.01%;

  4.多個(gè)精密光電流測(cè)試量程;

  5.上位機(jī)LIV算法，支持各種參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，簡(jiǎn)化應(yīng)用。

  脈沖高保真:脈沖無過沖、無振蕩

  1.PL系列LIV測(cè)試系統(tǒng)能確保在輸出電流能力范圍內(nèi)輸出μs級(jí)脈沖時(shí)，脈沖均不會(huì)出現(xiàn)過沖和振蕩。最快脈沖上升時(shí)間300A/μs，確保用戶可以正確檢測(cè)電路或者待測(cè)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(cè)試電流

  隨著大功率激光器的迅猛發(fā)展，激光器的驅(qū)動(dòng)電流越來越大，導(dǎo)致30A都不能滿足部分激光器的驅(qū)動(dòng)需求。此時(shí)，我們可以通過并聯(lián)多達(dá)4臺(tái)普賽斯PL系列設(shè)備，提供最大120A、μs級(jí)脈寬的驅(qū)動(dòng)電流，仍然在同一個(gè)上位機(jī)軟件上實(shí)現(xiàn)大功率激光器的LIV測(cè)試。

  上位機(jī)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)配有專用上位機(jī)軟件。在軟件中可直接設(shè)置多項(xiàng)測(cè)試參數(shù)，測(cè)試完成后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算處相關(guān)參數(shù)，以方便客戶實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，提高測(cè)試效率。

  光學(xué)特性參數(shù)測(cè)試

  另外，在VCSEL光譜特性等光學(xué)參數(shù)項(xiàng)目測(cè)量中，測(cè)試機(jī)仍需要電流源為器件供電，根據(jù)實(shí)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(cè)試系統(tǒng)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(shè)備、擴(kuò)展接口等提供I/O接口及合理設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試機(jī)的全參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試。

  *測(cè)試注意：等效電感對(duì)窄脈沖測(cè)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(duì)窄脈沖的影響尤為重要。重點(diǎn)體現(xiàn)在脈沖較窄的情況下，因?yàn)楹芸斓碾娏魃仙俣?di/dt)，再乘上電感L，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很大的反壓;同樣，電流下降速度很大時(shí)，也會(huì)有類似的問題出現(xiàn)。這個(gè)過沖或者反向過沖會(huì)導(dǎo)致器件的損壞。

  *測(cè)試夾具的類型

  針對(duì)窄脈沖的測(cè)試需求，普賽斯設(shè)計(jì)了適配各種封裝的夾具。夾具設(shè)計(jì)需要滿足分布參數(shù)小、可支持溫控、積分球手動(dòng)一體化等，能滿足各種情況下對(duì)VCSEL不同封裝器件的測(cè)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(cè)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(duì)激光器芯片進(jìn)行老化測(cè)試，篩選出有潛在質(zhì)量問題的元器件，滿足其百萬小時(shí)級(jí)的工作時(shí)間。針對(duì)VCSEL測(cè)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(duì)。多通道老化電源，最大可到40CH，各通道可獨(dú)立控制、同步測(cè)試、獨(dú)立輸出，配置靈活，幫助VCSEL的老化測(cè)試實(shí)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(cè)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(cè)試用科學(xué)儀器的國(guó)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(hào)處理與抗干擾技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理、核心算法與系統(tǒng)集成等技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，公司率先自主研發(fā)了高精度臺(tái)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(guó)產(chǎn)化電性能測(cè)試儀表，以及mini LED測(cè)試系統(tǒng)、電流傳感器測(cè)試系統(tǒng)、功率器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)等。產(chǎn)品以其測(cè)試精度高、速度快、兼容性強(qiáng)、測(cè)試范圍寬、可靠性高、操作簡(jiǎn)便以及快捷靈活的響應(yīng)式服務(wù)等優(yōu)勢(shì)，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(cè)試、集成電路測(cè)試、高校教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)等應(yīng)用;為客戶提供模塊化硬件、高效驅(qū)動(dòng)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(shí)滿足行業(yè)對(duì)測(cè)試效率、測(cè)試精度、 供應(yīng)鏈安全以及 規(guī)模化的挑戰(zhàn)。