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普赛斯仪表:VCSEL激光器的光电特性与高效可靠的测试解决方案

摘要:从半导体激光器面世以来,由于其材料及结构特性,面临着使用寿命衰减的问题,需要对激光器芯片进行老化测试,筛选出有潜在质量问题的元器件,满足其百万小时级的工作时间。针对VCSEL测试系统老化电源的需求,普赛斯丰富的产品线可以完美应对。

  ICC讯 垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种激光发射方向垂直于P-N结平面,而谐振腔面平行于P-N结平面的半导体激光器,它属于面发射激光器的一种。而EEL边射型激光器的光则是沿着水平方向,由芯片的边缘射出。与EEL相比,VCSEL的生产过程更具经济效益并且响应快,因此在越来越多的应用中取代了传统的边发射激光器。

  垂直腔面发射激光器VCSEL具有复杂的半导体结构,但其封装结构一般更为简单。不同于边缘发射激光二极管,EEL需要解理成Bar条才能进行检测良品与否,而VCSEL在封装前就可以对芯片进行检测,进行产品筛选,极大降低了产品的风险成本。VCSEL生产过程有三道检测工序,这三道工序都需要脉冲电流源对器件进行测试。快速、灵活且精度高的测试方案对于减小测试的成本至关重要。

  VCSEL常见测试参数特性分析

  VCSEL器件广泛应用于3D人脸识别和距离传感。当VCSEL阵列用于TO F模组,特别是激光雷达一类的dTOF系统时,VCSEL在窄脉冲情况下的峰值功率、工作电流、工作电压、转化效率、近远场光学特性等参数对于芯片供应商、封装服务商、模组集成商等都非常重要。VCSELVCSEL阵列,包括各种激光二极管标准检测的关键电性能技术参数,常见如激光二极管正向压降(VF)、KinK点测试/线性度测试(dL/dI)、阈值电流(Ith)、输出光功率等(PO)以及斜率效率(Es)等。LIV测试是确定VCSEL关键性能参数的一种快速简单的方法,它将两条测量曲线组合在一个图形中 。 L/I 曲线显示了激光器的光强度对工作电流的依赖性,并用于确定工作点和阈值电流。V/I 曲线显示了施加到激光器的电压作为工作电流的函数。通过LIV(光强-电流-电压)测试,可以评估VCSEL绝大多数电参数特性及最佳输出光功率。

  雷达输出的激光脉宽越窄,测距精度越高;峰值光功率越大,一般需要至百瓦,测试距离越远。因此研究高注入电流的高峰值光功率VCSEL芯片十分关键。而大功率激光器使用直流或者宽脉冲加电时发热严重,激光器特效受温度影响非常大,直流或宽脉冲下的测试结果并不能反映器件特性。因此为了测量VCSEL器件在真实工作场景下的性能,就需要微秒甚至纳秒级驱动和测试能力的测试设备对其进行测试,这是目前传统直流或者宽脉冲的测试表具不能满足的。

  PL系列窄脉冲LIV测试系统典型方案

  为了满足VCSEL产业链对窄脉冲LIV测试的需求,普赛斯仪表和多应用领域的头部企业进行了深入的探讨,结合产业需求以及自身技术沉淀,推出了PL窄脉冲LIV测试系统,产品具有输出电流脉冲窄(ns级)、输出脉冲电流大(30A)、支持脉冲光峰值功率检测、支持激光器电压测量、超快上升速度等功能。

  PL系列窄脉冲LIV测试系统构成如上图所示:PL系列脉冲源、测试夹具、积分球、光纤、光谱仪等,光谱仪用户可以根据自己的需求选择另购。

  测试原理

  LIV测试采用对VCSEL脉冲电流供电,测量器件两端电压和器件输出光功率。使用普赛斯PL系列脉冲恒流源搭配光谱仪可以构造标准的VCSEL光功率测试系统:PL测试系统作为精密的电流脉冲源,驱动VCSEL激光器发出不同波长的激光,激光经过特制的积分球来进行收光,积分球将具有一定发散角的光进行能量衰减,然后使用PD进行光电转换随后系统对光电流进行快速采样,从而达到精准测算激光器所输出的激光功率。经典的测试原理配合普赛斯PL测试系统出色的性 能和严格的指标要求,帮助用户完成了一系列富有挑战的测试项目。

 

  系统优势

  集多表功能于一体:快速脉冲发生器+程控电流源+峰值取样光功率计+脉冲电压表

  1.PL系列LIV测试系统具有同步性能好、测试速度快、完整化的解决方案等特点。

  2.通过15MS/s的数字化功能,实现脉冲发生器0.1%基本测量精度;

  3.超窄至ns级的脉冲,占空比可低至0.01%;

  4.多个精密光电流测试量程;

  5.上位机LIV算法,支持各种参数的自动计算,简化应用。

  脉冲高保真:脉冲无过冲、无振荡

  1.PL系列LIV测试系统能确保在输出电流能力范围内输出μs级脉冲时,脉冲均不会出现过冲和振荡。最快脉冲上升时间300A/μs,确保用户可以正确检测电路或者待测器件。

  2.最大30A脉冲电流输出;

  3.兼容CW和QCW模式,精密的脉冲宽度可调节技术;

  4.超高速脉冲采样技术,确保在窄脉冲下采样数据准确。

  更大的测试电流

  随着大功率激光器的迅猛发展,激光器的驱动电流越来越大,导致30A都不能满足部分激光器的驱动需求。此时,我们可以通过并联多达4台普赛斯PL系列设备,提供最大120A、μs级脉宽的驱动电流,仍然在同一个上位机软件上实现大功率激光器的LIV测试。

  上位机测试软件

  为了满足用户的使用需求,普赛斯PL系列窄脉冲LIV测试系统配有专用上位机软件。在软件中可直接设置多项测试参数,测试完成后软件会自动计算处相关参数,以方便客户实现快速测试,提高测试效率。

 

  光学特性参数测试

  另外,在VCSEL光谱特性等光学参数项目测量中,测试机仍需要电流源为器件供电,根据实际应用有CW和QCW模式两种。推荐使用普赛斯PL系列窄脉冲测试系统集成使用,PL系列作为恒流电流源也可同时为光谱仪、其他自动化设备、扩展接口等提供I/O接口及合理设计的测试夹具,从而实现测试机的全参数自动化测试。

  *测试注意:等效电感对窄脉冲测试的影响

  如图,夹具和输出线路都有分布式电感参数,尤其是电感对窄脉冲的影响尤为重要。重点体现在脉冲较窄的情况下,因为很快的电流上升速度(di/dt),再乘上电感L,会导致一个很大的反压;同样,电流下降速度很大时,也会有类似的问题出现。这个过冲或者反向过冲会导致器件的损坏。

 *测试夹具的类型

  针对窄脉冲的测试需求,普赛斯设计了适配各种封装的夹具。夹具设计需要满足分布参数小、可支持温控、积分球手动一体化等,能满足各种情况下对VCSEL不同封装器件的测试需求。部分夹具图如下:

  丰富的产品线,多通道老化电源满足VCSEL激光器老化测试需求

  从半导体激光器面世以来,由于其材料及结构特性,面临着使用寿命衰减的问题,需要对激光器芯片进行老化测试,筛选出有潜在质量问题的元器件,满足其百万小时级的工作时间。针对VCSEL测试系统老化电源的需求,普赛斯丰富的产品线同样可以完美应对。多通道老化电源,最大可到40CH,各通道可独立控制、同步测试、独立输出,配置灵活,帮助VCSEL的老化测试实现精准、高效。

 


  关于普赛斯仪表

  武汉普赛斯仪表有限公司是武汉普赛斯电子技术有限公司的全资子公司,一 直专注于半导体的电性能测试仪表的开发、生产与销售,致力于满足半导体领域从材料、晶圆到器件测试用科学仪器的国产替代需求。

  基于普赛斯电子领先的光学与光电技术、微弱信号处理与抗干扰技术、高速数字信号处理、核心算法与系统集成等技术平台优势,公司率先自主研发了高精度台式数字源表、脉冲式源表、窄脉冲电流源、集成插卡式源表、高精度的超大电流源、高精度高压电源、数据采集卡等国产化电性能测试仪表,以及mini LED测试系统、电流传感器测试系统、功率器件静态参数测试系统等。产品以其测试精度高、速度快、兼容性强、测试范围宽、可靠性高、操作简便以及快捷灵活的响应式服务等优势,广泛应用于新型半导体器件材料分析、半导体分立器件测试、集成电路测试、高校教学实训平台等应用;为客户提供模块化硬件、高效驱动程序和高效算法软件组合,帮助用户构建自定义解决方案, 同时满足行业对测试效率、测试精度、 供应链安全以及 规模化的挑战。


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