VCSEL器件的常见参数有哪些？如何测试？

概述

       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。

图:不同发光器件的工作原理

       随着光电子和信息技术的发展,尤其是设备升级和工艺改进后,VCSEL无论在性能还是应用上都取得了长足的发展。由于VCSEL具有阈值电流低、工作波长稳定、光束质量好、易于一维和二维集成等优点,在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。

图:广泛的VCSEL传感应用

       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生产过程中有三道检测工序,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TOF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。

       VCSEL和VCSEL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(lth)、输出光功率等(Po)以斜率效率(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。

图:普赛斯PL系列窄脉冲LIV测试系统及测试系统框图

        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。

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。

        普赛斯PL系列窄脉冲系统LIV测试扫描可进行正向电压(VF)测试、阈值电流(lth)测试、光强度(L)测试、光学特性参数测试。

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。