VCSEL / Laser

Komplette Charakterisierung von VCSEL-Arrays

Laserdioden und VCSEL als Technologietreiber

Laserdioden finden zunehmend Einzug in unterschiedlichste Alltags- und Industrieanwendungen und treiben so neue Anwendungen und Technologieansätze voran. Dazu gehören z.B.

  • Gesichts- und Gestenerkennung in der Unterhaltungselektronik
  • LiDAR (engl. light detection and ranging) im Auto
  • Materialbearbeitung mit Hochleistungs-Diodenlasern

Laserdioden: VCSEL verdrängen EEL

Laserdioden lassen sich technologisch in EEL (Edge-Emitting Laser) und VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) unterteilen. EEL sind Kantenemitter und emittieren waagerecht zur Chipoberfläche. Sie können erst nach dem Aufbringen der Spiegelflächen auf die seitlichen Chipkanten optisch charakterisiert werden.

Dagegen sind VCSEL – analog zu LEDs – Oberflächenemitter und emittieren senkrecht zur Chipoberfläche. Die Schichtstruktur enthält die für die Laserkavität erforderlichen Spiegel. Dies erlaubt eine optische Charakterisierung der VCSEL bereits auf dem Wafer. Der Produktionsprozess von VCSEL ist damit im Vergleich zu EEL wirtschaftlicher, so dass sie in immer mehr Anwendungen konventionelle Lasersysteme verdrängen. Der Bedarf nach geeigneten Messsystemen für eine hochpräzise und effiziente optische Charakterisierung dieser schmalbandigen Lichtquellen steigt entsprechend.

Schematischer Vergleich der Emissionsrichtung und Abstrahlcharakteristik von LED, VCSEL und EEL relativ zur Wafer- bzw. Chipoberfläche.

Wie müssen VCSEL-Arrays vermessen werden?

VCSEL Einzelemitter-Messung (Near field):
Für eine umfassende Charakterisierung von VCSEL-Arrays ist die Untersuchung der Einzelemitter unabdingbar. Sie müssen in Labor und Produktion auf Defekte, Position, absolute Leistung und Abstrahlwinkel sowie hinsichtlich ihrer Einzelemitterwellenlänge vermessen werden, um den Qualitätsansprüchen der VCSEL-Hersteller und zugehörigen Integratoren zu genügen.

VCSEL Array-Vermessung (Far field):
Um die Augensicherheit zu gewährleisten, muss die Abstrahlcharakteristik des gesamten VCSEL-Arrays sehr zuverlässig vermessen werden. Im Labor sollte dies z.B. mit einem hochpräzisen Goniometer, kombiniert mit einem Highend-Spektrometer mit rückführbarer Kalibrierung erfolgen. Für die Produktion bieten sich one-shot Messlösungen mit einem Konoskop oder Transmissionsschirm an.

Vermessung der VCSEL-Pulse:
Da das zeitliche Verhalten der Laserpulse für viele Anwendungen entscheidend ist, wird die Charakterisierung des zeitlichen Verlaufs bei Pulsdauern bis hinunter zu einer Nanosekunde für VCSEL-Hersteller notwendig. Geeignete Messsysteme benötigen eine hervorragende spektrale Auflösung, eine performante Ansteuerelektronik und schnelle Photodioden für die Leistungsmessung, sowohl in Labor als auch in Produktion.

Messung von Spektrum und Leistung des VCSEL-Arrays:
Die spektrale Leistungsvermessung des VCSEL-Arrays erfolgt an Highpower-Messplätzen, bestehend aus Highend-Spektralradiometern und unterschiedlichen Ulbricht-Kugelkonfigurationen. Um die Genauigkeit zu erhöhen, wird eine Erweiterung mit Hilfslichtquellen für die Selbstabsorptionskorrektur empfohlen.

Auf Basis der hochauflösenden Spektrometer CAS 140CT-HR und CAS 120-HR und der IR-Kamera VTC bietet Instrument Systems hierfür diverse Lösungen an: Modular aufgebaute und optimal auf die VCSEL-Charakterisierung abgestimmte Komplettlösungen (VCSEL Produktionstest, VCSEL Messung).

Die Herausforderung: Spektrale Vermessung von Laserdioden mit definiertem Fehlerbudget und Rückführbarkeit

Messsysteme für Laserdioden müssen ganz besondere Anforderungen erfüllen:

  • Hohe spektrale Auflösung
  • Hohe Durchsatzmengen in der Produktion
  • Spektrale Leistungsmessung gepulster Laserdioden
  • 2D Analyse gesamter VCSEL arrays im Nahfeld
  • Fernfeldcharakterisierung von VCSEL arrays

Anforderungen an die Pulsmessung:

  • Sehr kurze Pulsdauern (≥ 1 ns) bei sehr hohen Strömen (bis zu 15A)
  • Hohe Samplingraten von mehreren Gigahertz
  • Die Erfassung von Pulszügen erfordert die schnelle Verarbeitung großer Datenmengen.

Die Lösung: IR-Kamera und hochauflösende Spektralradiometer von Instrument Systems

Die hochauflösenden Array-Spektralradiometer von Instrument Systems CAS 140CT-HR und CAS 120(B)-HR sind das Herzstück aller unserer Systeme für die VCSEL-Messung. Sie ermöglichen eine hervorragende spektrale Auflösung bis zu 0,12 nm und sind durch kurze Integrationszeiten nicht nur im Labor, sondern auch perfekt für sehr hohe Durchsätze in der Produktion geeignet.

Für eine 2D-Analyse von VCSEL-Arrays mit Einzelemitteranalyse bietet Instrument Systems die speziell dafür entwickelte IR-Kamera VTC an. Sie charakterisiert sowohl Defekte als auch die Position, Leistung und Abstrahlinformation der einzelnen Emitter. In Kombination mit einem unserer hochauflösenden CAS-Spektralradiometer dient die Kamera der Messung der Einzelemitterwellenlänge. Bei Erweiterung um einen Transmissionsschirm ergibt sich ein produktionstaugliches System, um das Abstrahlverhaltens von Emittern im Fernfeld zu messen. Für die Laboranalyse kann hierzu auch auf eines unserer Fernfeldgoniometer, wie das LGS 350 zurückgegriffen werden.

Da bei den Systemen von Instrument Systems die Strahlungsleistung mit Ulbrichtkugel und einem auf PTB bzw. NIST rückführbar kalibrierten Spektralradiometer ermittelt wird, ist für die VTC-Kamera selbst eine Flat-Field-Kalibrierung ausreichend, um höchste Messgenauigkeit zu erzielen.

Komplettsystem PVT 110 für die Messung von Nanosekundenpulsen

Speziell für die zeitaufgelöste Messung von Nanosekundenpulsen hat Instrument Systems das PVT 110 entwickelt. Dieses System ist extrem breit einsetzbar durch den Einsatz unterschiedlicher Photodioden für die Leistungsmessung und Charakterisierung schneller Pulse und der schnellen Erfassung und Auswertung aller entstehenden Datenströme.

Wir freuen uns auf Ihre Herausforderung – sprechen Sie uns an!

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