VCSEL / 激光器

VCSEL 激光二极管的完全表征

激光二极管和 VCSEL 推动技术发展

激光二极管已成为日常生活和工业应用中不可或缺的部分,促进了新应用和技术的发展。包括:

  • 消费电子产品中的人脸和手势识别
  • 车载 LiDAR(光检测和测距)
  • 采用高性能激光二极管实施材料加工

VCSEL 正逐步取代 EEL

从技术上来说,激光二极管可以分为 EEL(边射型激光器)和 VCSEL(垂直腔面发射激光器)。边射型激光器简称 EEL,沿水平方向发射到芯片表面。只有将反射面贴附在芯片边缘上之后,才能体现其光学特性。

VCSEL 与之相反。VCSEL 类似于 LED,是表面发射器,沿垂直方向发射到芯片表面。层型结构中包含激光腔所需的反射镜。因此能够体现晶圆上已具备的 VCSEL 光学特性。与 EEL 相比,VCSEL 的生产过程更具经济效益,因此在越来越多的应用中取代了传统激光器系统。

LED、VCSEL 和 EEL 相对于晶圆或芯片表面的发射方向和空间辐射特性的示意图对比。

该如何测量 VCSEL 光源呢?

VCSEL单发射器测量(近场测量):

单个发射器的特性分析,对于VCSEL阵列的全面表征是必不可少的。为了满足实验室和生产制程中VCSEL制造商和集成商的质量标准,必须对VCSEL进行测量,以确定其缺陷、位置、绝对性能、角度范围,以及单个发射器的波长。针对此应用,必须使用专门的红外摄像机来进行测量。

VCSEL阵列测量(远场测量):

为了保证眼睛安全,必须可靠地测量整个VCSEL阵列的空间辐射特性。在实验室中,例如配备高精度测角仪,并结合可追溯校准的高端光谱仪。在生产中,可以使用带有示波器或透射屏的一次性测量解决方案代替测角仪。

VCSEL脉冲的测量:

由于激光脉冲的时间行为对于许多应用而言至关重要,因此对于VCSEL制造商而言,刻蚀1纳秒以下的脉冲长度至关重要。合适的测量系统需要出色的光谱分辨率,高性能控制电子器件和快速光电二极管以进行功率测量,无论在实验室还是在生产制程中。

VCSEL阵列的频谱和功率测量:

VCSEL阵列的光谱功率是在由高端光谱辐射仪和各种不同积分球配置组成的特殊测试设置下测量的。建议使用辅助光源作为自吸收校正,以提高准确性。

Instrument Systems 提供基于高分辨率光谱仪 CAS 140CT-HR 和 CAS 120-HR 的解决方案:一体化解决方案,采用模块化结构,针对 VCSEL 特性 (VCSEL 生产测试VCSEL 实验室测量应用)。

挑战: 具有误差预算限定及可追溯性的激光二极管光谱测量

用于激光二极管的测量系统必须满足以下特殊要求:

  • 高光谱分辨率
  • 在生产中具备高吞吐量
  • 脉冲激光二极管光谱测量
  • 近场测量:能以二维分析全面表征 VCSEL 阵列
  • 远场测量:可测 VCSEL 阵列的空间辐射特性

脉冲测量要求:

  • 在极高的电流下(高达 15A),脉冲长度极短 (≥ 1 ns)
  • 达到几千兆赫的高采样率
  • 测量脉冲串需要快速处理大量数据

解决方案:Instrument Systems 的高分辨率光谱仪

Instrument Systems 的 CAS 140CT-HRCAS 120(B)-HR 高分辨率阵列光谱仪是 VCSEL 测量系统中的旗舰产品。它们能够提供高达 0.12 nm 的出色光谱分辨率,而且由于积分时间短,它们不仅适合在实验室中使用,还可以在生产环境中支持达到极高吞吐量。

Instrument Systems 新推出的 VTC VCSEL 测量摄像机,可对 VCSEL 阵列进行 2D 分析。它可以表征单个发射器的缺陷及其位置、功率及发射特性。结合了高分辨率的 CAS 光谱辐射仪,VTC VCSEL 摄像机便可测量单个发射器的波长。再加上透射屏幕,即可将此测量系统升级为产线专用系统,用于远场测量 VCSEL 发射器的辐射特性。若结合光强角度测试仪,例如 LGS 350,即可进行实验室的远场测量。

Instrument Systems 的 VCSEL 测试系统通过积分球及可溯源至 PTB 或 NIST 的光谱辐射仪来确定辐射功率。带平场校准的 VTC 摄像机,始终确保最高的测量精度。

PVT 110 多合一测量系统,用于测量纳秒级脉冲

针对 VCSEL 的纳秒脉冲测量,Instrument Systems 专门开发了 PVT 110 多合一系统。该系统通过使用不同的光电二极管进行功率测量和快速脉冲表征,且能够快速测量和分析所有产生的数据流,应用范围非常广泛。

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