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Neue Prüftechnologienfür Lidar

Herausforderung VCSEL-Test

13. Juli 2020, 15:00 Uhr   |  Nicole Wörner

Herausforderung VCSEL-Test
© Tektronix

Das 2601B-PULSE System PulseMeter ist ein Hochstrom-/Hochgeschwindigkeits-Pulser mit voller Funktionalität einer traditionellen SMU.

Mit der Verbreitung von Lidar gelangen VCSELs zu neuer Bedeutung. Beim Test dieser Bauteile gibt es jedoch einige Hindernisse und Fallstricke, die mit aktuellen Messtechnologien oft nur schwer zu überwinden sind. Hier setzt Tektronix mit den Messgeräten von Keithley an.

Von Andrea Vinci, Technical Marketing Manager, Tektronix

Viele Hersteller arbeiten derzeit massiv an der Weiterentwicklung von Lidar, das vornehmlich in autonomen Fahrzeugen, bei der 3D-Erkennung und im Sicherheitsbereich eingesetzt wird. Lidar, was für Light Imaging, Detection and Ranging steht, verwendet Laser, die nicht sichtbares Licht aussenden, um Objekte in der nahen oder fernen Umgebung abzutasten, um so 3D-Karten dieser Objekte zu erstellen. Lidar ist ein erfolgskritischer Faktor für die Entwicklung autonomer Fahrsysteme, weil es bei der Ausweichhilfe für Fußgänger, Tiere oder andere Objekte zum Einsatz kommt.

Das Herzstück eines Lidar-Systems ist der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator, besser bekannt als VCSEL. Der VCSEL ist eine Halbleiter-Laserdiode, die auf einem Wafer hergestellt wird. Angesichts der kritischen Anforderungen an VCSELs, die in Lidar-Anwendungen im Automobilbereich eingesetzt werden, muss jeder VCSEL einzeln getestet werden, um sicherzustellen, dass keine fehlerhaften Komponenten verkauft und in einem Fahrzeug verwendet werden. Das minimiert die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Unfalls aufgrund fehlerhafter Komponenten.

Lidar-Systeme bestehen aus einer Reihe von VCSELs – was wiederum Probleme für den Testingenieur aufwirft. Er steht vor der Aufgabe, jeden einzelnen VCSEL zu testen und gleichzeitig eine Beschädigung des VCSELs selbst, benachbarter VCSELs und des gesamten Testsystems zu vermeiden.

Stolperfallen bei der VCSEL-Prüfung

Für die VCSEL-Prüfung erstellen Design- und Prüfingenieure automatisierte LIV-Messungen (Licht vs. Strom vs. Spannung), die zur Bestimmung wichtiger Spezifikationen in der Designphase verwendet werden. Die VCSELs werden daraufhin getestet, um sicherzustellen, dass diese Spezifikationen zusammen mit den Qualitäts-, Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards erfüllt werden. Die Prüfung dieser Bauteile erfordert sehr kurze Impulse und spezifische Steuerströme. Dafür müssen die Messgeräte in der Lage sein, hohe Ströme zu liefern, jedoch bei sehr kurzen Pulsbreiten, die typischerweise unter 100 μs liegen. Bei zu großen Strompulsbreiten kann die Eigenerwärmung zu ungenauen optischen Messungen führen, darunter auch zu fehlerhaften Wellenlängenmessungen. Außerdem kann das Anlegen von hohen Stromstärken über einen bestimmten Zeitraum zu Schäden an den VCSELs und an den Sondenspitzen führen, wenn VCSELs direkt auf dem Wafer getestet werden.

Tektronix
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Präzise Strompulsformung ist eine wesentliche Voraussetzung für die genaue Charakterisierung optischer Komponenten.

Darüber hinaus stehen die Entwicklungsingenieure, die VCSELs testen, vor Herausforderungen wie der Synchronisierung mehrerer Instrumente, der Impulsabstimmung, dem Erreichen des erforderlichen Durchsatzes in der Produktion und die Reduzierung der Gesamtkosten. Für diese Tests sind oft mehrere Geräte nötig, wie etwa eine separate Impulsstromquelle, eine Spannungsquelle, ein digitales Multimeter und ein Schaltsystem beim Testen von VCSEL-Arrays. Es stellt sich also auch die Frage: Wie stellt der Prüfingenieur das richtige Timing während der Synchronisierung sicher, um fehlerhafte Messungen und mögliche Beschädigungen zu vermeiden?

Verdrahtung und Induktivität können bei der Ausgabe von Stromimpulsen ebenfalls ein Problem darstellen. Die Induktivität kann sowohl eine begrenzende Wirkung haben als auch potenziell schädlich sein für das getestete Device. Die Induktivität ist zudem von Prüfling zu Prüfling unterschiedlich; das trifft so auch auf Laserdioden auf einem Wafer zu. Die Induktivität „unterdrückt“ schnelle Änderungen des Stromsignals und dämpft somit den Stromimpuls ab. Um das zu kompensieren, könnte man die Ausgangsspannung erhöhen, was jedoch zu Überschwingen und Klingeln in der Mitte des Pulses führen kann. Auch wenn dieses Phänomen nicht bei allen Tests ein Thema ist, so ist es jedoch immer zu beachten und stellt nicht selten eine erhebliche Herausforderung an den Test dar. Einige Lösungen erfordern daher eine zeitaufwändige Impedanz-Anpassung, um dieses Verhalten zu kompensieren. Diese Herausforderungen können zu ungenauen Testergebnissen und beschädigten Prüflingen führen, was sich am Ende sehr negativ auf die Zuverlässigkeit der systemkritischen VCSELs auswirkt.

Neue Messtechnologien sind gefragt

Prüfingenieure müssen also in der Lage sein, die Funktionstüchtigkeit jedes VCSEL während der Tests zu gewährleisten. Um das Vertrauen in die Testergebnisse aufrechtzuerhalten und die VCSELs einsatzfähig zu halten, müssen die Impulsbreiten kurz sein, um eine Eigenerwärmung zu verhindern. Es sollte auch über die Synchronisierung und die Impulsabstimmung nachgedacht werden. Ein ideales Gerät würde eine manuelle Abstimmung bei Laständerungen überflüssig machen, die Menge der für die Prüfung benötigten Geräte verringern und die potenziellen negativen Auswirkungen mehrerer Maschinen reduzieren.

Es ist offensichtlich, dass die genannten Herausforderungen nicht ohne die Entwicklung neuer Messtechnologien bewältigt werden können. Das Testen von VCSELs ist nicht nur für die Weiterentwicklung der in Lidar verwendeten Technologie von entscheidender Bedeutung, sondern auch für LEDs (Beleuchtung/Displays), die Charakterisierung von Halbleiterbauelementen, Überspannungsschutz und viele Bereiche mehr, an die wir heute noch gar nicht denken. Tektronix hat sich auf die Fahne geschrieben, Messlösungen zu entwickeln, mit denen sich diese neuen Herausforderungen des Testens von VCSELs meistern lassen. Eine gute Basis dafür stellt Tektronix mit dem Portfolio von Keithley.

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