引言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是成像、傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵部件。

VCSEL的優(yōu)勢(shì)之一是能夠在制造過(guò)程的早期階段進(jìn)行晶片級(jí)別的測(cè)試，相比之下，對(duì)其他邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的測(cè)試通常在制造周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行，此時(shí)產(chǎn)品已達(dá)到生產(chǎn)的最后階段。這種測(cè)試方法允許及早檢測(cè)組件故障，通過(guò)在封裝之前識(shí)別有缺陷的設(shè)備，大大節(jié)省了時(shí)間和成本。

光-電流-電壓(LIV)掃描測(cè)試是確定激光二極管(LD)和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)等光源工作特性的基本測(cè)量。通常，LD模塊結(jié)合激光二極管和光電探測(cè)器(PD)來(lái)監(jiān)控輸出并提供反饋以控制激光功率。下圖顯示了LIV測(cè)試如何評(píng)估光電流特性、閾值電流、斜率效率、扭折和正向電壓。

VCSEL LIV測(cè)試的典型設(shè)置

下圖說(shuō)明了源/測(cè)量單元(SMU)在VCSEL LIV測(cè)試中的使用情況。SMU是一種綜合儀器，它將電流/電壓源、精確的電流/電壓測(cè)量、同步功能和無(wú)縫四象限操作整合到一個(gè)集成單元中。

源/測(cè)量單元的多功能性使其成為各種元件的I-V特性的理想之選，而大多數(shù)傳統(tǒng)的SMU是為測(cè)量直流電壓和電流而設(shè)計(jì)的。然而，一些源/測(cè)量單元結(jié)合了脈沖和采樣功能以滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量要求，盡管在速度方面有一些限制。

LIV測(cè)試五大挑戰(zhàn)

• 由于電流脈沖寬度不夠窄而導(dǎo)致的自熱引起的器件特性變化或損壞；

• 窄脈沖測(cè)量過(guò)程中的布線問(wèn)題造成的錯(cuò)誤；

• PD的測(cè)量需要與窄脈沖LD精確同步；

• 由于采樣率低，對(duì)窄脈沖內(nèi)的電流和電壓變化檢測(cè)不足；

• 在增加VCSEL陣列測(cè)試的測(cè)量通道數(shù)量時(shí)，需要擴(kuò)大占地面積；

LDS的行為受溫度變化的影響很大，例如，隨著溫度的升高，激光效率有下降的趨勢(shì)。因此，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于如何以一種能夠減輕自加熱對(duì)二極管行為的影響的方式進(jìn)行測(cè)試，并確保準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。為了抑制自熱效應(yīng)，需要更窄的脈沖輸出能力，并且需要高速采樣率來(lái)捕獲快速和極窄的電流/電壓脈沖以驗(yàn)證動(dòng)態(tài)特性。

除了精確的VCSEL特性外，準(zhǔn)確測(cè)量局部放電電流對(duì)于確定斜率效率(dL/DI)和識(shí)別LIV測(cè)試中的扭折至關(guān)重要。由于半導(dǎo)體激光器以脈沖方式發(fā)射光功率，因此需要同步測(cè)量激光器在脈沖發(fā)光過(guò)程中的局部放電電流。這一過(guò)程需要對(duì)脈沖的帶寬響應(yīng)、精確的時(shí)序控制、用于波形捕獲的高速采樣以及LD和PD之間的精確時(shí)序調(diào)整。隨著脈沖次數(shù)的不斷減少和頻率的增加，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。

為了增加VCSEL陣列的測(cè)量通道，需要并行測(cè)試多個(gè)器件以提高測(cè)試時(shí)間和吞吐量，然而，臺(tái)式解決方案需要更多的測(cè)量?jī)x器占用更大的空間，從而導(dǎo)致成本更高。

解決VCSEL測(cè)試挑戰(zhàn)

Keysight PZ2100系列提供專為VCSEL傳感器/模塊測(cè)試而設(shè)計(jì)的高通道密度LIV測(cè)試解決方案，該平臺(tái)能夠?qū)D進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)/脈沖測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)與PD的無(wú)縫同步，精度達(dá)到誤差低于50 ns。

Keysight PZ2100A精密SMU主機(jī)支持Keysight PZ2121A高速SMU，具有yi流的窄脈沖寬度，從mA到10.5A峰值電流最小脈寬可達(dá)10μS，采樣率高達(dá)15 MSa/S的快速數(shù)字化模式，并在1U高度、全寬機(jī)架空間內(nèi)最大集成4個(gè)通道。PZ2100系列無(wú)需切換脈沖和源/測(cè)量單元，即可在高達(dá)60 V/3.5 A和DC/10.5 A的寬輸出范圍內(nèi)對(duì)VCSEL測(cè)試進(jìn)行窄脈沖測(cè)量，這使得PZ2100系列非常適合VCSEL LIV測(cè)試。

關(guān)鍵特征

• 從mA到10.5A峰值電流均可實(shí)現(xiàn)最小脈沖10μS寬度

• 體驗(yàn)15 MSa/S的最大采樣率，使用快速數(shù)字化儀模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為表征

• 使用專用的低電感電纜和遠(yuǎn)程瞬變電壓表，減少與電纜相關(guān)的測(cè)量誤差

• 與PD同步的Gain LD精密測(cè)量誤差低于50 ns

• 獲得多通道高密度解決方案，以緊湊的占地面積實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量

加快準(zhǔn)確的LIV測(cè)試

在光-電流-電壓測(cè)試中，窄脈沖電流輸出能力至關(guān)重要，傳統(tǒng)的SMU通常缺乏產(chǎn)生極窄電流脈沖的能力，因此需要使用專用電流源。下兩圖顯示了PZ2121A型精密微控制器主機(jī)的激光二極管模式實(shí)現(xiàn)了快速上升時(shí)間和10μS脈沖寬度，從mA到10.5A 。

電流脈沖窄至10μS從20 mA掃描到100 mA

電流脈沖窄至10μS掃頻2.5A至10.5A

減少與電纜相關(guān)的測(cè)量誤差

當(dāng)施加干凈且窄的電流脈沖時(shí)，電纜電感可能成為一個(gè)關(guān)鍵限制，問(wèn)題是，當(dāng)施加如此短的電流脈沖時(shí)，高di/dt值可能導(dǎo)致測(cè)量電纜上的電壓降，因此，SMU測(cè)量的電壓與被測(cè)設(shè)備的實(shí)際電壓不同，這些限制要求我們測(cè)量與被測(cè)器件相鄰的電壓。

Keysight PX0105A低電感電纜以及PZ2120A和PZ2121A SMU具有專用的遠(yuǎn)程暫態(tài)電壓測(cè)量功能，具有更高的帶寬，減少了電纜電感和壓降對(duì)測(cè)量電纜的影響。下圖顯示，當(dāng)施加窄電流脈沖時(shí)，它使用四線連接。啟用該功能后，PZ2120A和PZ2121A  SMU可以對(duì)器件進(jìn)行暫態(tài)電壓測(cè)量，從而在施加窄電流脈沖時(shí)減少電纜電感的影響。

下圖顯示了專用低電感電纜和遠(yuǎn)程瞬變電壓表的效果

低電感電纜的測(cè)量結(jié)果受電纜電感的影響較小

遠(yuǎn)程暫態(tài)電壓測(cè)量結(jié)果受電纜電感影響較小

與PD同步的精密LD測(cè)量

PZ2100系列SMU主機(jī)有六條內(nèi)部觸發(fā)線，無(wú)需布線即可實(shí)現(xiàn)通道間的同步，誤差低于50 ns。主機(jī)和模塊上的外部觸發(fā)端口也可用，使它們能夠與任何外部設(shè)備同步。

內(nèi)部觸發(fā)線實(shí)現(xiàn)了誤差低于50 ns的通道同步，外部觸發(fā)端口實(shí)現(xiàn)了與任何外部設(shè)備的同步

加快新設(shè)備開(kāi)發(fā)

由于自加熱效應(yīng)，VCSEL特性可以在脈沖中動(dòng)態(tài)改變，需要高速測(cè)量功能來(lái)捕獲VCSEL的動(dòng)態(tài)脈沖響應(yīng)，然而，常規(guī)儀器有測(cè)量局限性，采樣率為幾十到幾百kSa/S 。

PZ2121A SMU具有15 MSa/S的嵌入式高速測(cè)量能力，能夠從瞬變區(qū)捕獲垂直腔面發(fā)射激光器的實(shí)際電流脈沖輸出和動(dòng)態(tài)脈沖響應(yīng)，如下圖所示。

15 MSa/S高速測(cè)量捕捉到1 MSa/S無(wú)法檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)行為

節(jié)省工作臺(tái)空間

可擴(kuò)展對(duì)于并行測(cè)試多個(gè)VCSEL以縮短測(cè)試時(shí)間至關(guān)重要，與傳統(tǒng)SMU不同，PZ2100A將四個(gè)PZ2121A SMU集成到一個(gè)全寬1U機(jī)架空間中，而不需要任何冷卻空間。

PZ2121A SMU可用作VCSEL的可靠電流脈沖源，無(wú)需外部專用電流源。通過(guò)利用其先進(jìn)功能，用戶可以充分利用其多功能性并保持易用性，為從研發(fā)到制造環(huán)境的廣泛應(yīng)用提供更大靈活性。

結(jié)論

隨著對(duì)VCSEL的需求持續(xù)上升，準(zhǔn)確測(cè)試VCSEL LIV存在巨大挑戰(zhàn)，通過(guò)利用PZ2121A SMU，可以克服這些挑戰(zhàn)，并作為不斷擴(kuò)大的VCSEL市場(chǎng)的xian行者獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，PZ2121A SMU能夠準(zhǔn)確地表征VCSEL，以能夠充分利用市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力。

VCSEL LIV測(cè)試解決方案

除了PZ2100系列高通道密度SMU解決方案外，Keysight還提供從實(shí)驗(yàn)室到制造的靈活SMU選擇。