VCSEL / Laser

Komplette Charakterisierung von VCSEL-Laserdioden

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.

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

Der Bedarf nach geeigneten Messsystemen für eine hochpräzise und effiziente optische Charakterisierung dieser schmalbandigen Lichtquellen steigt entsprechend. Da das zeitliche Verhalten der Laserpulse für viele Anwendungen entscheidend ist, wird die Charakterisierung des zeitlichen Verlaufs bei Pulsdauern bis hinunter zu einer Nanosekunde wichtig.

Wann müssen Laserdioden vermessen werden?

Sensorsysteme:
In vielen Anwendungen kommen die Laserdioden in Kombination mit einem Sensorsystem zum Einsatz, z.B. in der Gesichtserkennung oder LiDAR. Hier ist die genaue Kenntnis der emittierten Wellenlänge und Leistung des Lasers zur Abstimmung mit dem dazugehörigen Sensorsystem erforderlich.

Fertigungskontrolle:
In der Produktion ist die Sortierung von Laserdioden anhand ihrer optischen Eigenschaften ein Teil der Fertigungskontrolle. Um die Funktion des finalen Bauteils zu gewährleisten, muss die Einhaltung von Spezifikationen innerhalb einer vorgegebenen Toleranz zuverlässig überprüft werden.

Augensicherheit:
Die Nutzung von Laserdioden in Anwesenheit von Menschen erfordert die Einhaltung der Lasersicherheitsvorgaben, um eine Schädigung des Auges auszuschließen. Diese Laserdioden – insbesondere auch gepulst betriebene Laserdioden - müssen daher bezüglich ihrer Energie und Leistung exakt vermessen sein.

Auf Basis der hochauflösenden Spektrometer CAS 140CT-HR und CAS 120-HR bietet Instrument Systems hierfür eine Lösung an: Modular aufgebaute und optimal auf die VCSEL-Charakterisierung abgestimmte Komplettlösungen (VCSEL Produktionstest, VCSEL Messung).
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Die Herausforderung: Spektrale Vermessung von Laserdioden

Messsysteme für Laserdioden müssen ganz besondere Anforderungen erfüllen:

  • Hohe spektrale Auflösung
  • Hohe Durchsatzmengen in der Produktion
  • Spektrale Messung gepulster Laserdioden

Anforderungen an die Pulsmessung:

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

Die Lösung: Hochauflösende Spektralradiometer von Instrument Systems

Die hochauflösenden Array-Spektralradiometer von Instrument Systems CAS 140CT-HR und CAS 120(B)-HR sind das Herzstück 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.

Die Spektrometer von Instrument Systems ermöglichen es ohne zusätzliche Kalibrierungen des Systems, direkt und rückführbar die Strahlungsleistung mit höchster Messgenauigkeit zu messen.

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 Anschluss unterschiedlicher Photodioden für die Leistungsmessung und Charakterisierung schneller Pulse und der schnellen Erfassung und Auswertung aller entstehenden Datenströme.

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