高密度精密SMU主机

引言

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是成像、传感技术和数据通信的关键部件。

VCSEL的优势之一是能够在制造过程的早期阶段进行晶片级别的测试，相比之下，对其他边缘发射半导体激光器的测试通常在制造周期结束时进行，此时产品已达到生产的最后阶段。这种测试方法允许及早检测组件故障，通过在封装之前识别有缺陷的设备，大大节省了时间和成本。

光-电流-电压(LIV)扫描测试是确定激光二极管(LD)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源工作特性的基本测量。通常，LD模块结合激光二极管和光电探测器(PD)来监控输出并提供反馈以控制激光功率。下图显示了LIV测试如何评估光电流特性、阈值电流、斜率效率、扭折和正向电压。

VCSEL LIV测试的典型设置

下图说明了源/测量单元(SMU)在VCSEL LIV测试中的使用情况。SMU是一种综合仪器，它将电流/电压源、精确的电流/电压测量、同步功能和无缝四象限操作整合到一个集成单元中。

源/测量单元的多功能性使其成为各种元件的I-V特性的理想之选，而大多数传统的SMU是为测量直流电压和电流而设计的。然而，一些源/测量单元结合了脉冲和采样功能以满足动态测量要求，尽管在速度方面有一些限制。

LIV测试五大挑战

• 由于电流脉冲宽度不够窄而导致的自热引起的器件特性变化或损坏；

• 窄脉冲测量过程中的布线问题造成的错误；

• PD的测量需要与窄脉冲LD精确同步；

• 由于采样率低，对窄脉冲内的电流和电压变化检测不足；

• 在增加VCSEL阵列测试的测量通道数量时，需要扩大占地面积；

LDS的行为受温度变化的影响很大，例如，随着温度的升高，激光效率有下降的趋势。因此，关键的挑战在于如何以一种能够减轻自加热对二极管行为的影响的方式进行测试，并确保准确的测量结果。为了抑制自热效应，需要更窄的脉冲输出能力，并且需要高速采样率来捕获快速和极窄的电流/电压脉冲以验证动态特性。

除了精确的VCSEL特性外，准确测量局部放电电流对于确定斜率效率(dL/DI)和识别LIV测试中的扭折至关重要。由于半导体激光器以脉冲方式发射光功率，因此需要同步测量激光器在脉冲发光过程中的局部放电电流。这一过程需要对脉冲的带宽响应、精确的时序控制、用于波形捕获的高速采样以及LD和PD之间的精确时序调整。随着脉冲次数的不断减少和频率的增加，实现准确的测量变得越来越具有挑战性。

为了增加VCSEL阵列的测量通道，需要并行测试多个器件以提高测试时间和吞吐量，然而，台式解决方案需要更多的测量仪器占用更大的空间，从而导致成本更高。

解决VCSEL测试挑战

Keysight PZ2100系列提供专为VCSEL传感器/模块测试而设计的高通道密度LIV测试解决方案，该平台能够对LD进行精确的动态/脉冲测量，从而实现与PD的无缝同步，精度达到误差低于50 ns。

Keysight PZ2100A精密SMU主机支持Keysight PZ2121A高速SMU，具有yi流的窄脉冲宽度，从mA到10.5A峰值电流最小脉宽可达10μS，采样率高达15 MSa/S的快速数字化模式，并在1U高度、全宽机架空间内最大集成4个通道。PZ2100系列无需切换脉冲和源/测量单元，即可在高达60 V/3.5 A和DC/10.5 A的宽输出范围内对VCSEL测试进行窄脉冲测量，这使得PZ2100系列非常适合VCSEL LIV测试。

关键特征

• 从mA到10.5A峰值电流均可实现最小脉冲10μS宽度

• 体验15 MSa/S的最大采样率，使用快速数字化仪模式进行动态行为表征

• 使用专用的低电感电缆和远程瞬变电压表，减少与电缆相关的测量误差

• 与PD同步的Gain LD精密测量误差低于50 ns

• 获得多通道高密度解决方案，以紧凑的占地面积实现多通道测量

加快准确的LIV测试

在光-电流-电压测试中，窄脉冲电流输出能力至关重要，传统的SMU通常缺乏产生极窄电流脉冲的能力，因此需要使用专用电流源。下两图显示了PZ2121A型精密微控制器主机的激光二极管模式实现了快速上升时间和10μS脉冲宽度，从mA到10.5A 。

电流脉冲窄至10μS从20 mA扫描到100 mA

电流脉冲窄至10μS扫频2.5A至10.5A

减少与电缆相关的测量误差

当施加干净且窄的电流脉冲时，电缆电感可能成为一个关键限制，问题是，当施加如此短的电流脉冲时，高di/dt值可能导致测量电缆上的电压降，因此，SMU测量的电压与被测设备的实际电压不同，这些限制要求我们测量与被测器件相邻的电压。

Keysight PX0105A低电感电缆以及PZ2120A和PZ2121A SMU具有专用的远程暂态电压测量功能，具有更高的带宽，减少了电缆电感和压降对测量电缆的影响。下图显示，当施加窄电流脉冲时，它使用四线连接。启用该功能后，PZ2120A和PZ2121A  SMU可以对器件进行暂态电压测量，从而在施加窄电流脉冲时减少电缆电感的影响。

下图显示了专用低电感电缆和远程瞬变电压表的效果

低电感电缆的测量结果受电缆电感的影响较小

远程暂态电压测量结果受电缆电感影响较小

与PD同步的精密LD测量

PZ2100系列SMU主机有六条内部触发线，无需布线即可实现通道间的同步，误差低于50 ns。主机和模块上的外部触发端口也可用，使它们能够与任何外部设备同步。

内部触发线实现了误差低于50 ns的通道同步，外部触发端口实现了与任何外部设备的同步

加快新设备开发

由于自加热效应，VCSEL特性可以在脉冲中动态改变，需要高速测量功能来捕获VCSEL的动态脉冲响应，然而，常规仪器有测量局限性，采样率为几十到几百kSa/S 。

PZ2121A SMU具有15 MSa/S的嵌入式高速测量能力，能够从瞬变区捕获垂直腔面发射激光器的实际电流脉冲输出和动态脉冲响应，如下图所示。

15 MSa/S高速测量捕捉到1 MSa/S无法检测到的动态行为

节省工作台空间

可扩展对于并行测试多个VCSEL以缩短测试时间至关重要，与传统SMU不同，PZ2100A将四个PZ2121A SMU集成到一个全宽1U机架空间中，而不需要任何冷却空间。

PZ2121A SMU可用作VCSEL的可靠电流脉冲源，无需外部专用电流源。通过利用其先进功能，用户可以充分利用其多功能性并保持易用性，为从研发到制造环境的广泛应用提供更大灵活性。

结论

随着对VCSEL的需求持续上升，准确测试VCSEL LIV存在巨大挑战，通过利用PZ2121A SMU，可以克服这些挑战，并作为不断扩大的VCSEL市场的xian行者获得竞争优势，PZ2121A SMU能够准确地表征VCSEL，以能够充分利用市场的增长潜力。

VCSEL LIV测试解决方案

除了PZ2100系列高通道密度SMU解决方案外，Keysight还提供从实验室到制造的灵活SMU选择。