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)勢之一是能夠在制造過程的早期階段進(jìn)行晶片級別的測試，相比之下，對其他邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的測試通常在制造周期結(jié)束時進(jìn)行，此時產(chǎn)品已達(dá)到生產(chǎn)的最后階段。這種測試方法允許及早檢測組件故障，通過在封裝之前識別有缺陷的設(shè)備，大大節(jié)省了時間和成本。

光-電流-電壓(LIV)掃描測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量。通常，LD模塊結(jié)合激光二極管和光電探測器(PD)來監(jiān)控輸出并提供反饋以控制激光功率。下圖顯示了LIV測試如何評估光電流特性、閾值電流、斜率效率、扭折和正向電壓。

VCSEL LIV測試的典型設(shè)置

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

源/測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是為測量直流電壓和電流而設(shè)計的。然而，一些源/測量單元結(jié)合了脈沖和采樣功能以滿足動態(tài)測量要求，盡管在速度方面有一些限制。

LIV測試五大挑戰(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；

• 窄脈沖測量過程中的布線問題造成的錯誤；

• PD的測量需要與窄脈沖LD精確同步；

• 由于采樣率低，對窄脈沖內(nèi)的電流和電壓變化檢測不足；

• 在增加VCSEL陣列測試的測量通道數(shù)量時，需要擴大占地面積；

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。因此，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于如何以一種能夠減輕自加熱對二極管行為的影響的方式進(jìn)行測試，并確保準(zhǔn)確的測量結(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捕獲快速和極窄的電流/電壓脈沖以驗證動態(tài)特性。

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

為了增加VCSEL陣列的測量通道，需要并行測試多個器件以提高測試時間和吞吐量，然而，臺式解決方案需要更多的測量儀器占用更大的空間，從而導(dǎo)致成本更高。

解決VCSEL測試挑戰(zhàn)

Keysight PZ2100系列提供專為VCSEL傳感器/模塊測試而設(shè)計的高通道密度LIV測試解決方案，該平臺能夠?qū)D進(jìn)行精確的動態(tài)/脈沖測量，從而實現(xiàn)與PD的無縫同步，精度達(dá)到誤差低于50 ns。

Keysight PZ2100A精密SMU主機支持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、全寬機架空間內(nèi)最大集成4個通道。PZ2100系列無需切換脈沖和源/測量單元，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VCSEL測試進(jìn)行窄脈沖測量，這使得PZ2100系列非常適合VCSEL LIV測試。

關(guān)鍵特征

• 從mA到10.5A峰值電流均可實現(xiàn)最小脈沖10μS寬度

• 體驗15 MSa/S的最大采樣率，使用快速數(shù)字化儀模式進(jìn)行動態(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)的測量誤差

• 與PD同步的Gain LD精密測量誤差低于50 ns

• 獲得多通道高密度解決方案，以緊湊的占地面積實現(xiàn)多通道測量

加快準(zhǔn)確的LIV測試

在光-電流-電壓測試中，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的激光二極管模式實現(xiàn)了快速上升時間和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)的測量誤差

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

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

低電感電纜的測量結(jié)果受電纜電感的影響較小

遠(yuǎn)程暫態(tài)電壓測量結(jié)果受電纜電感影響較小

與PD同步的精密LD測量

PZ2100系列SMU主機有六條內(nèi)部觸發(fā)線，無需布線即可實現(xiàn)通道間的同步，誤差低于50 ns。主機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)線實現(xiàn)了誤差低于50 ns的通道同步，外部觸發(fā)端口實現(xiàn)了與任何外部設(shè)備的同步

加快新設(shè)備開發(fā)

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

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

15 MSa/S高速測量捕捉到1 MSa/S無法檢測到的動態(tài)行為

節(jié)省工作臺空間

可擴展對于并行測試多個VCSEL以縮短測試時間至關(guān)重要，與傳統(tǒng)SMU不同，PZ2100A將四個PZ2121A SMU集成到一個全寬1U機架空間中，而不需要任何冷卻空間。

PZ2121A SMU可用作VCSEL的可靠電流脈沖源，無需外部專用電流源。通過利用其先進(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VCSEL的需求持續(xù)上升，準(zhǔn)確測試VCSEL LIV存在巨大挑戰(zhàn)，通過利用PZ2121A SMU，可以克服這些挑戰(zhàn)，并作為不斷擴大的VCSEL市場的xian行者獲得競爭優(yōu)勢，PZ2121A SMU能夠準(zhǔn)確地表征VCSEL，以能夠充分利用市場的增長潛力。

VCSEL LIV測試解決方案

除了PZ2100系列高通道密度SMU解決方案外，Keysight還提供從實驗室到制造的靈活SMU選擇。