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行晶片級別的測試，相比之下，對其他邊緣發(fā)射半導體激光器的測試通常在制造周期結(jié)束時進行，此時產(chǎn)品已達到生產(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行測試，并確保準確的測量結(jié)果。為了抑制自熱效應，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、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10μS，采樣率高達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60 V/3.5 A和DC/10.5 A的寬輸出范圍內(nèi)對VCSEL測試進行窄脈沖測量，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)字化儀模式進行動態(tài)行為表征

• 使用專用的低電感電纜和遠程瞬變電壓表，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，當施加如此短的電流脈沖時，高di/dt值可能導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，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，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，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)境的廣泛應用提供更大靈活性。

結(jié)論

隨著對VCSEL的需求持續(xù)上升，準確測試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。