使用高通道密度SMU解決方案 克服LIV測試挑戰

垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）是影像、感測技術和數據通信的關鍵組件之一。

VCSEL的優勢之一是在製造過程的早期階段能夠在晶圓級進行測試。相比之下，對於其他邊緣發射型半導體雷射，測試通常在製造週期的最後階段進行，當產品已達到最終生產階段。這種測試方法允許在封裝之前檢測元件故障，從而在識別有缺陷的設備之前實現顯著的時間和成本節省。

光電流電壓（LIV）掃描測試是一種基本的測量方法，用於確定光源的操作特性，例如雷射二極管（LD）和VCSEL。通常，LD模塊結合了雷射二極管和光檢測器（PD），用於監測輸出並提供反饋以控制雷射功率。圖1顯示了LIV測試的目的，即評估光電流特性、閾值電流、斜率效率、kink和正向電壓。

VCSEL LIV测试的典型设置

圖2顯示了在VCSEL LIV測試中使用源/測量單元（SMUs）的情況。SMU是一種綜合性的儀器，將電流/電壓源、精確的電流/電壓測量、同步功能以及無縫的四象限操作集成到一個單一的、整合的單元中。

源/測量單元的多功能性使其成為進行各種元件I-V特性表徵的理想選擇。儘管大多數傳統的SMUs設計用於測量直流電壓和電流，但一些源/測量單元還包括脈衝和取樣功能，以滿足動態測量需求，儘管在速度方面存在一些限制。

LIV測試的前五大挑戰

以下是影響您進行測量的前五大LIV測試挑戰：

• 由於電流脈衝寬度不足而導致自熱，使得元件特性變化或損壞。
• 在進行窄脈衝測量時，由於布線問題而導致的錯誤。
• 對於PD的測量需要與窄脈衝的LD進行精確同步。
• 由於取樣率較慢，難以準確檢測窄脈衝中的電流和電壓變化。
• 在增加VCSEL陣列測試的測量通道數量時，需要擴展佔地面積。

雷射二極管（LDs）的行為受到溫度變化的顯著影響。例如，隨著溫度上升，雷射效能往往會降低。因此，關鍵挑戰在於以一種方式進行測試，以減緩自熱對二極管行為的影響，確保準確的測量結果。需要較窄的脈衝輸出能力來抑制自熱效應，並且需要高速取樣率以捕捉快速而極窄的電流/電壓脈衝，以驗證動態特性。

除了對VCSEL進行精確的特性表徵外，準確測量光檢測器（PD）的電流對於確定斜率效率（dL/dI）並在LIV測試中識別kink非常重要。由於LD以脈衝模式發射光功率，因此在LD脈衝發射光的同時同步測量PD電流是必要的。這個過程需要對脈衝的頻寬響應、準確的時間控制、用於波形捕捉的高速取樣，以及LD和PD之間的精確時間調整。隨著脈衝時間不斷縮短和頻率增加，實現準確的測量變得越來越具挑戰性。

為了提高VCSEL陣列的測試時間和通量，有必要並行測試多個裝置。然而，臺上解決方案需要更多的測量儀器，這將導致佔地面積更大，進而增加成本。

解決LIV測試挑戰

Keysight PZ2100系列提供了一種專門為VCSEL感測器/模組測試而設計的高通道密度的LIV測試解決方案。該平臺能夠實現對雷射二極管（LD）的精確動態/脈衝測量，實現與光檢測器（PD）的無縫同步，精度達50 ns以下。

Keysight PZ2100A 精密SMU機架支援 Keysight PZ2121A 高速SMU，具有最佳的窄脈衝寬度，可從 mA 至 10.5 A 峰值，脈衝寬度可達到 10 微秒，並具有高速數位元化模式，取樣率可達每秒 15 萬次，並且在1U的高度下最多整合了4個通道，充分利用機架寬度空間。它能夠在不切換脈衝和源/測量單元的情況下，在寬廣的輸出範圍（最高達60 V / 3.5 A和DC / 10.5 A）進行VCSEL測試的窄脈衝測量，使PZ2100系列非常適合VCSEL LIV測試。

主要特點：
• 在 mA 至 10.5 A 峰值時實現最小脈衝寬度為 10 微秒。
• 通過快速數位元化模式，達到最大取樣率為每秒 15 萬次，實現動態行為特性的表徵。
• 通過專用的低感應電纜和遠端瞬態電壓計，降低與電纜相關的測量錯誤。
• 實現雷射二極管（LD）的精確測量，並與光檢測器（PD）同步，精度達到50 ns以下。
• 具有高通道密度解決方案，實現在緊湊的佔地面積下進行多通道測量。

加速準確的LIV測試

在光電流電壓測試中，窄脈衝電流輸出能力至關重要。傳統的SMUs通常缺乏生成極窄電流脈衝的能力，因此需要使用專用的電流源。圖4和圖5顯示了PZ2121A精密SMU主機的鐳射二極管模式實現了快速的上升時間和從mA到10.5A的10微秒脈衝寬度。

降低與電纜相關的測量錯誤

電纜的電感在應用潔凈且窄的電流脈衝時可能成為一個關鍵限制。問題在於，當應用這樣的短脈衝電流時，高的di/dt值可能導致測量電纜上的電壓下降。因此，SMU測量的電壓與測試器件實際上的電壓不同。這些限制要求我們測量靠近測試器件的電壓。

Keysight PX0105A低電感電纜以及PZ2120A和PZ2121A SMU具有專用的遠端瞬態電壓測量功能，具有較高的頻寬，減少電纜電感和測量電纜上的電壓降的影響。圖6顯示在應用窄電流脈衝時使用四線連接。一旦啟用該功能，PZ2120A和PZ2121A SMU可以對器件進行瞬態電壓測量，降低應用窄電流脈衝時電纜電感的影響。圖7顯示了專用的低電感電纜和遠端瞬態電壓計的效果。

同步精確測量雷射二極管（LD）與光檢測器（PD）

PZ2100系列SMU主機擁有六條內部觸發線，可實現通道之間在不使用任何電纜的情況下以不到50納秒的精度進行同步。主機和模組上的外部觸發埠也可用，使它們能夠與任何外部設備同步。

加速新設備開發

VCSEL特性由於自熱效應在脈衝中可能會動態變化。您需要高速測量能力來捕捉VCSEL的動態脈衝響應。然而，傳統儀器的測量速率受到限制，通常在數萬到數百千赫茲。

PZ2121A SMU擁有嵌入的高速測量能力，達到每秒15百萬次的速率。它能夠捕捉VCSEL的實際脈衝電流輸出和動態脈衝響應，如圖9所示。
節省實驗臺面空間
可擴展性對於並行測試多個VCSEL以提高測試效率至關重要。與傳統的SMU不同，PZ2100A將四個PZ2121A SMU整合到一個完整的1U機架空間，無需任何冷卻間隔物。
PZ2121A SMU可以作為VCSEL的可靠電流脈衝源，無需外部專用電流源。通過充分利用其尖端能力，使用者可以充分發揮其多功能性並保持易用性，為從研究開發到製造設置的廣泛應用提供最大靈活性。

結論

隨著對VCSEL的需求持續增加，精確表徵VCSEL LIV測試面臨著重大挑戰。然而，利用PZ2121A SMU，您可以克服這些挑戰，成為擴展的VCSEL市場中的先行者，獲得競爭優勢。PZ2121A SMU使您能夠精確表徵VCSEL，使您能夠充分利用市場的增長潛力。

VCSEL LIV測試的解決方案

除了PZ2100系列高通道密度的SMU解決方案外，Keysight還提供靈活的SMU選擇，涵蓋從實驗室到製造的各個領域，基於我們在SMU領域的悠久專業知識和市場領先地位。