VCSEL实验室的纳秒脉冲时间分辨测量解决方案

精恩光学

2024/08/08 14:27

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随着3D传感应用中需要具备更为严格的测量精度要求，和对人眼安全激光光源探测范围的增加，推动 VCSELs 驱动脉冲持续时间朝着越来越短的方向发展，同时激光器的峰值功率也随之增加。

目前标准的测试流程中，用来驱动 VCSELs 的电子脉冲一般都在毫秒、微秒等级，新型测试方案中的驱动电子脉冲可以低至纳秒级别，工作电流可以达到几个安培。

Instrument Systems 提供的测量解决方案可以完全满足上述所有的要求，PVT 110 电子光学测量系统对于实验室级别的应用能够让电子脉冲缩短到只有 1 纳秒，同时峰值电流达到 15 安培，这套测量系统可以通过多个传感器的组合方式，完成对 VCSELs 激光器的完整电子光学特性表征（见Flg.4）。

Fig.4 PVT 110 测量系统：具有短脉冲时间分辨的 VCSEL 激光器的高光谱分辨测量

PVT 110 测量系统集成了一台高分辨的 CAS 光谱仪用来进行光谱表征，一个快速光电二极管对半导体激光器产生的光学纳秒脉冲序列进行时间分辨测量。与此同时，Instrument Systems研制出了最高 15 安培峰值电流的 PCB驱动电路板，以此用来驱动 VCSELs 激光器，还可以测量电子脉冲驱动，这样确保可以直接观察到驱动脉冲和实际探测到脉冲之间的差异。

图五可以看到 1000 个脉冲的平均原始信号，每一次的持续时间为 100 纳秒，标注的灰色区域是允许标准偏差，这些信号处理中应用了复杂的算法，比如为了处理由于关闭驱动脉冲所引起的电子反射振荡，为了准确确定光脉冲的峰值功率，去测量平均的时间脉冲波形图是很有必要的。也正是由于它在波形轮廓的中心出现的时间很短这个原因，所以我们在图 5 中是无法看到特征增益开关尖峰的。

Fig.5：100ns，占空比为 1%的电子驱动脉冲，和与之相对应的光学信号平均波形图，以上曲线是平均 1000 次脉冲的图谱，灰色区域代表的是每一个数据点的标准偏差

脉冲驱动电路板可以产生定制化的脉冲序列。图 6 是一个示意图，时间长度轴上有很多的脉冲序列链，序列链之间的间隔时间设定在毫秒范围。那在每一个单个的毫秒级别的脉冲序列链中，单个脉冲的持续时间是纳秒级别，脉冲与脉冲之间的间隔时间也在纳秒级别，以此来避免引起被测器件的过高升温。

在这期间，脉冲和脉冲间隔的位置分别可以自由地编排在一个很宽的范围内。比如：脉冲的持续时间可以从纳秒延长至毫秒级别也是可能的。这样的灵活性可以确保能找到针对某个应用最优化的脉冲模型。

Fig.6：一组可能的驱动脉冲链示意图，基本单位是由纳米脉冲组成的毫秒序列波段

对于激光器来讲，一项很必需的特性表征是测量所谓的 LIV 曲线，它可以反映出激光器光功率 (L) 和驱动电流 (I) 、电压 (V) 的关系。这些相关联系使得我们获取被测器件的很多关键特性成为一种可能，像：阈值电流和斜率（相关性）。图 7 中可以看到一个驱动脉冲为 100ns 的 VCSEL 激光器的 LI 相关特性，它很大程度上是和脉冲长度没有关系的。

Fig.7：100ns，占空比为 1%的驱动电流和光峰值功率的相关性，电流阈值大小以及曲线斜率标注在图中

相反，对于纳秒脉冲的 IV 特性来讲，它和准确的脉冲持续时间有着密切联系。同时，当脉冲持续时间较长时，它会趋于一个稳定的状态（见图 8）。这就强调了在未来应用中用纳秒脉冲模式精确表征 VCSELs 的必要性，进一步的研究表明，对于固定的脉冲持续时间，所观察到的 IV 特性与占空比无关。

Fig.8：固定 1%占空比，VCSEL 驱动脉冲的峰值电流取决于驱动电压，以及脉冲持续时间的大小

众所周知，VCSELs 激光器是一种温度敏感的设备，假如一个 VCSEL 激光器的光谱发生变化，那么很大程度上是由于随着温度的改变，谐振腔材料的折射率和热膨胀系数发生了改变而引起的。图 9 中可以看到，当被测器件的工作温度从 20℃升至 60℃时，有明显的光谱变化和峰值波长的漂移。这样的测量对于表征和未来进一步研究，如何让 VCSEL 激光器在温度变化的环境中更加稳定是非常重要的。

Fig.9：上图：不同温度下，同一 VCSEL 激光器的归一化光谱图；下图：VCSEL 的峰值波长漂移和温度的相关线性图

纳秒驱动的 VCSELs 激光器即将成为大众市场上一个非常有前景的应用，比如消费电子，然而，在实验室中的深度表征和生产线上持续的品质控制，对于确保它在未来操作和降低故障率来讲是必不可少的。

Instrument Systems 提供给各位用户们实验室级别VCSELs时间分辨-电光特性测量的 PVT 110 系统，具有以下特点：

优势

_	最高低至 0.12nm 的光谱分辨率脉冲持续时间低至 1 纳秒单次脉冲的峰值电流最高可达 15A 脉冲序列链重复率可达 100M Hz 时间分辨-电光特性表征 IV & LIV 曲线被测器件的温度控制脉冲序列的灵活定义

关键参数

_	LIV特性曲线被测器件的全光谱信息（如：峰值波长，辐射功率，波长带宽等）单个脉冲波形，持续时间和能量脉冲的峰值功率和对应的驱动电流