Optische Charakterisierung von Lichtquellen für CPO und NPO
Das steigende Datenaufkommen in KI-Infrastrukturen und Rechenzentren erhöht den Bedarf an optischen Verbindungen mit hoher Bandbreite und geringem Energieverbrauch. Bei Co-Packaged Optics (CPO) und Near-Packaged Optics (NPO) werden Optical Engines näher an anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) herangerückt oder sogar direkt in diese integriert. Dadurch werden die elektrischen Verbindungen kürzer, was den Energieverbrauch und die Latenz verringert und zugleich höhere Datenübertragungsraten ermöglicht.
Während VCSEL-Arrays als Lichtquellen für die optische Datenkommunikation etabliert sind, stellen MicroLED-Arrays einen neuen technologischen Ansatz dar. Eine zuverlässige optische Charakterisierung hilft Herstellern dabei, Abweichungen zwischen einzelnen Emittern zu erkennen, Leistungsanforderungen zu überprüfen und die Homogenität von Arrays zu bewerten. Instrument Systems bietet Messlösungen von der Bauteilentwicklung bis zur Waferinspektion. Sie unterstützen Hersteller dabei, Abweichungen zu erkennen, Prozesse zu optimieren und die Qualität zu kontrollieren.
Die Herausforderung: Zuverlässige Charakterisierung zunehmend komplexer Emitter-Arrays
Mit der zunehmenden Komplexität von VCSEL- und MicroLED-Arrays müssen Hersteller einerseits die Eigenschaften einzelner Emitter beurteilen und andererseits das Verhalten des gesamten Arrays im Blick behalten. Die Messung der optischen Gesamtleistung allein kann schwache oder defekte Emitter überdecken. Auch Unterschiede bei Wellenlänge, Polarisation und Strahlcharakteristik können die optische Einkopplung beeinflussen. Entscheidend ist es daher, diese Abweichungen zuverlässig und effizient zu erfassen – vom einzelnen Bauteil über große Arrays bis hin zu ganzen Wafern.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:
- Erkennung schwacher oder defekter Emitter sowie von Unterschieden in der optischen Leistung innerhalb eines Arrays
- Bewertung des Betriebsverhaltens und des Wirkungsgrads von VCSELs, einschließlich gepulster LIV-Messungen
- Erkennung von Wellenlängenabweichungen und Inhomogenitäten in den Emissionsspektren
- Untersuchung der für die optische Einkopplung relevanten Nahfeld-, Polarisations- und Fernfeldeigenschaften
- Effiziente Waferinspektion zur Erkennung von Inhomogenitäten in der Emission und zur Optimierung der Ausbeute
Unsere Lösung: Charakterisierung einzelner Emitter – von der Entwicklung bis zur Waferinspektion
Instrument Systems bietet optische Messlösungen, die auf die Eigenschaften von VCSEL- und MicroLED-Lichtquellen abgestimmt sind. Durch die Kombination aus ortsaufgelöster Bildgebung, Spektralanalyse und optischer Leistungsmessung werden Unterschiede sichtbar, die bei Messungen des gesamten Arrays möglicherweise unentdeckt bleiben. Verschiedene Systemkonfigurationen ermöglichen die Charakterisierung während der Entwicklung, der Produktionsprüfung und der Waferinspektion.
VCSEL-Charakterisierung
Um eine effiziente optische Einkopplung und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen VCSEL-Arrays für optische Interconnects gleichmäßige Emittereigenschaften aufweisen. Unterschiede in der optischen Leistung, der Emissionswellenlänge, der Polarisation oder der Strahlrichtung können beeinflussen, wie effizient Licht in das optische System eingekoppelt wird. Werden diese Unterschiede auf Ebene der einzelnen Emitter erkannt, können Entwickler die Homogenität des Arrays bewerten und die Bauteileigenschaften optimieren.
Instrument Systems kombiniert das Nahfeld-Messsystem VTC 4000, das Fernfeld-Messsystem VTC 2400 sowie CAS Spektrometer mit ISP Ulbricht-Kugeln, um die Eigenschaften von VCSELs vom einzelnen Emitter bis zum vollständigen Array zu charakterisieren. Die Messungen liefern während der Entwicklung und Prüfung Informationen zur Leistungsverteilung, zum spektralen Verhalten und zur Strahlcharakteristik.
Charakterisierung von MicroLED-Arrays
MicroLED-Arrays stellen eine neuartige Lichtquellentechnologie für optische Interconnects dar. Aufgrund ihrer dicht angeordneten Emitter ist eine ortsaufgelöste Charakterisierung erforderlich. Unterschiede in der optischen Leistung, der Wellenlänge und der räumlichen Abstrahlung können die Homogenität des Arrays und die optische Einkopplung beeinflussen. Die Erfassung dieser Unterschiede hilft Entwicklern dabei, die Eigenschaften einzelner Emitter zu bewerten und die Eignung von MicroLED-Arrays für die optische Kommunikation zu beurteilen.
LumiTop Farbmesskameras mit CAS Spektralradiometern ermöglichen ortsaufgelöste optische und spektrale Messungen. In Kombination mit Mikroskopoptiken und goniophotometrischen Fernfeldmessungen unterstützen diese Lösungen die Bewertung der Emitterhomogenität sowie der für die optische Einkopplung relevanten Abstrahleigenschaften.
Automatisierte Waferinspektion
Das von Instrument Systems und Rapitech gemeinsam entwickelte RTS-System kombiniert automatisiertes Waferhandling mit spektralradiometrischer und bildgebender Messtechnik, um vollständige MicroLED-Wafer zu prüfen.
Das System ermöglicht eine schnelle und zerstörungsfreie Prüfung, um defekte Emitter zu erkennen sowie die Homogenität von Wellenlänge, Leuchtdichte und Farbe über den gesamten Wafer zu bewerten. Die automatisierte Defektkartierung und die Messdaten unterstützen die Prozessoptimierung, Qualitätskontrolle und Steigerung der Ausbeute.
Kontaktieren Sie uns
Möchten Sie Abweichungen zwischen einzelnen Emittern erkennen oder die Homogenität Ihrer Lichtquellen auf Waferebene bewerten? Dann kontaktieren Sie Instrument Systems, um eine passende Messkonfiguration für Ihre VCSEL- oder MicroLED-Anwendung zu besprechen.
1. Warum ist die optische Charakterisierung von Lichtquellen für CPO und NPO wichtig?
Bei Co-Packaged Optics (CPO) und Near-Packaged Optics (NPO) werden optische Engines in unmittelbarer Nähe zu anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) platziert. Die dadurch entstehenden kürzeren elektrischen Verbindungen ermöglichen eine Datenübertragung mit hoher Bandbreite. Mithilfe optischer Messungen lässt sich überprüfen, ob Lichtquellen wie VCSEL- und MicroLED-Arrays die Anforderungen für eine zuverlässige und energieeffiziente Datenkommunikation erfüllen. Die Messergebnisse liefern wichtige Informationen zur Bewertung der Lichtquelleneigenschaften in optischen Interconnect-Anwendungen.
2. Wie beeinflussen Unterschiede zwischen einzelnen VCSEL-Emittern die Leistung optischer Interconnects?
Einzelne Emitter innerhalb eines VCSEL-Arrays können sich in Bezug auf ihre optische Leistung, Wellenlänge oder Strahlcharakteristik unterscheiden. Solche Abweichungen können die Gleichmäßigkeit der optischen Emission und möglicherweise auch die Leistung einzelner optischer Kanäle beeinträchtigen. Ortsaufgelöste Messungen mit dem VTC 4000 helfen dabei, diese Unterschiede zwischen einzelnen Emittern zu erkennen, die bei einer Messung der optischen Gesamtleistung des Arrays nicht sichtbar sind.
3. Welche VCSEL-Messungen sind für eine effiziente optische Einkopplung relevant?
Die optische Einkopplung hängt von den räumlichen Abstrahleigenschaften der Lichtquelle und dem empfangenden optischen System ab. Nahfeldmessungen liefern Informationen über die Eigenschaften einzelner Emitter. Fernfeldmessungen charakterisieren dagegen die Winkelverteilung der Strahlung und die Strahldivergenz. Während die VTC 4000 die Nahfeldcharakterisierung ermöglicht, werden die VTC 2400 und Goniometersysteme für Fernfeldmessungen eingesetzt. Die Ergebnisse helfen dabei, die für die optische Einkopplung relevanten Strahleigenschaften zu bewerten.
4. Wie lässt sich der Wirkungsgrad von VCSEL-Lichtquellen bewerten?
Mithilfe von Licht-Strom-Spannungs-Messungen (LIV) lässt sich der Zusammenhang zwischen elektrischer Ansteuerung und optischer Ausgangsleistung charakterisieren. Damit lassen sich das Betriebsverhalten, der Schwellstrom und der Wirkungsgrad von VCSELs unter unterschiedlichen Ansteuerbedingungen – einschließlich des gepulsten Betriebs – beurteilen. Messungen mit Ulbricht-Kugeln und CAS Spektrometern ermöglichen die Charakterisierung der optischen Leistung im Rahmen von LIV-Messaufbauten.
5. Welche messtechnischen Herausforderungen stellen MicroLED-Arrays in optischen Interconnects dar?
MicroLED-Arrays bestehen aus kleinen, dicht angeordneten Emittern, deren optische Leistung und Abstrahleigenschaften innerhalb des Arrays variieren können. Für optische Interconnect-Anwendungen sind insbesondere die Homogenität der optischen Leistung auf Emitterniveau, die Wellenlängeneigenschaften und die räumliche Abstrahlcharakteristik relevant. LumiTop Kamerasysteme mit Mikroskopoptiken und CAS Spektralradiometern unterstützen die ortsaufgelöste Charakterisierung von MicroLEDs. Goniometersysteme können ergänzend zur Untersuchung der Fernfeldabstrahlung eingesetzt werden.
6. Welchen Beitrag leistet die Waferinspektion zur Entwicklung von Lichtquellen für optische Interconnects?
Durch die Waferinspektion können Hersteller die Abstrahleigenschaften und die Homogenität untersuchen, bevor die einzelnen Bauteile vereinzelt und in Gehäuse integriert werden. So lassen sich Unterschiede innerhalb eines Wafers erkennen und Informationen für die Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle gewinnen. Das von Instrument Systems und Rapitech gemeinsam entwickelte RTS-System für die Prüfung vollständiger MicroLED-Wafer kombiniert automatisiertes Waferhandling mit zerstörungsfreier optischer Inspektion und Defektkartierung.
