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)濟效益并且響應快，因此在越來越多的應用中取代了傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器。
垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL具有復雜的半導體結構，但其封裝結構一般更為簡單。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重要。
VCSEL常見測試參數(shù)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、轉化效率、近遠場光學特性等參數(shù)對于芯片供應商、封裝服務商、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鍵電性能技術參數(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器件在真實工作場景下的性能，就需要微秒甚至納秒級驅動和測試能力的測試設備對其進行測試，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，普賽斯儀表和多應用領域的頭部企業(yè)進行了深入的探討，結合產(chǎn)業(yè)需求以及自身技術沉淀，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造標準的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，積分球將具有一定發(fā)散角的光進行能量衰減，然后使用PD進行光電轉換隨后系統(tǒng)對光電流進行快速采樣，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(tǒng)出色的性 能和嚴格的指標要求，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節(jié)技術;
4.超高速脈沖采樣技術，確保在窄脈沖下采樣數(shù)據(jù)準確。
更大的測試電流
隨著大功率激光器的迅猛發(fā)展，激光器的驅動電流越來越大，導致30A都不能滿足部分激光器的驅動需求。此時，我們可以通過并聯(lián)多達4臺普賽斯PL系列設備，提供最大120A、μs級脈寬的驅動電流，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。在軟件中可直接設置多項測試參數(shù)，測試完成后軟件會自動計算處相關參數(shù)，以方便客戶實現(xiàn)快速測試，提高測試效率。
光學特性參數(shù)測試
另外，在VCSEL光譜特性等光學參數(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，普賽斯設計了適配各種封裝的夾具。夾具設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
從半導體激光器面世以來，由于其材料及結構特性，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、高效。
關于普賽斯儀表
武漢普賽斯儀表有限公司是武漢普賽斯電子技術有限公司的全資子公司，一 直專注于半導體的電性能測試儀表的開發(fā)、生產(chǎn)與銷售，致力于滿足半導體領域從材料、晶圓到器件測試用科學儀器的國產(chǎn)替代需求。
基于普賽斯電子領先的光學與光電技術、微弱信號處理與抗干擾技術、高速數(shù)字信號處理、核心算法與系統(tǒng)集成等技術平臺優(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式服務等優(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、高校教學實訓平臺等應用;為客戶提供模塊化硬件、高效驅動程序和高效算法軟件組合，幫助用戶構建自定義解決方案， 同時滿足行業(yè)對測試效率、測試精度、 供應鏈安全以及 規(guī)?；奶魬?zhàn)。
新聞來源：普賽斯儀表