VCSEL測定ソリューション

Dr. Efi Rotem, Ophir Photonics CTO

VCSELは通信業界で初めて使用され、現在ではセンシングアプリケーションの光源として広く使用されています。低電力 (mW) アプリケーションには、顔およびジェスチャー認識、近接センサー、拡張現実ディスプレイなどがあります。高出力 (W) アプリケーションには、ロボット工学、UAV、自動運転車用のLIDARが含まれます。これらの新しいアプリケーションはバッテリーで動作するため、電力消費を最小限に抑える必要があります。したがって、VCSELのパワー、ビームプロファイル、ノイズなどの特性評価が重要です。多くの場合、VCSELは受動光学系または走査光学系と結合され、非常に広いビームを生成します。さらに、VCSELはパルスモードで使用されることがよくあります。これらの要因により、VCSELのテストと測定は困難な作業になります。当社のお客様は、VCSELで信頼性の高いパワーおよびビームプロファイルデータを取得するためにOphir機器をご利用いただいております。

• 波長範囲: 650-1080nm、1550nm
• パワーレンジ: mW～W
• 高い変調帯域幅

積分球は高角度で光を集めるために使用されます。ビーム角±40°、±60°、±85°の入力ポートアダプターが利用可能です。球に取り付けられた校正済みのフォトダイオードディテクターを使用して光パワーを測定します。レーザー波長が正確に分からない場合、650～1000nmでは±0.2%/nm、1000～1080nmおよび 1550nmでは±1%/nmの測定不確実性が生じます。

積分球上の追加のポートは、分光計や高速フォトダイオードディテクターなどの他の機器を接続し、複数の種類の測定を同時に行うために使用されます。積分球パワーセンサーは、1μW未満から最大30Wまでのパワー範囲をカバーします。

100mW以上のパワーレベルの場合は、サーマルセンサーも使用できます。サーマルセンサーは、一体型球センサーよりもコンパクトで使いやすくなっております。新しいLP2コーティングを施したOphirセンサーは、レーザー放射を吸収して熱に変換する原理で動作するため、入射角に対する感度がほとんどなく、拡散レーザービームのパワーの測定に最適です。黒色コーティングも、数百ナノメートルにわたってスペクトル的に平坦です。したがって、波長の不確かさによる測定誤差は0.01%/nm未満です。サーマルセンサーは、センサー面積とビーム角度の許容範囲の最適な組み合わせを提供します。表1は、サーモパイルと積分球によるパワー測定の比較を示しています。図2は、LP2コーティングの角度依存性を示しています。

積分球を使用してワイドビームVCSELを測定する場合、通常、球の側壁とポートアダプターの厚さによって、許容可能な角度が制限されます。さらに、VCSELを球に近づけると、VCSELが取り付けられているPCBも球の視野内に収まります。PCBは光を反射して球内に戻し、本来なら球から出る光を反射します。この効果により球のキャリブレーションが変更され、PCBの色と反射率に応じて異なる値を測定できます。

Ophirの新しいIS6-D積分球は、これらの課題に対するいくつかの解決策を提供します。

1. 1インチ/120° ロープロファイルポートアダプター。このポートアダプターは、中心5mmに対して120°の受光角度を持っています。ポートアダプターには磁石が埋め込まれているため、開口部の取り付けと取り外しが簡単に行えます。
2. 120°ポートアダプターの取り外し可能な開口部5mm、7mm、および10mmの黒色の開口部は、1インチポートアダプターに磁石で取り付けられています。図13の前景に示されているように、開口は球の視野をレーザーのみに制限し、図4に示すようにPCBまたはレーザー キャリアからの不要な反射を排除します。開口部は低反射率の黒色ペイントでコーティングされており、球体のキャリブレーションに影響を与えません。
3. IS6-D-IR-170積分球、8mm、170°ポートアダプター付き

この積分球には、170°の角度で光を集めるためにゴールドコーティングされたコーンを使用する特別なポートアダプターが付いています。円錐はコリメーターとして機能し、球体に入るビームの角度を減少させます。図5は、このアダプターの内部を示しています。上向きの開口部は球体に収まり、下部の開口部（画像には見えません）が光を集める入り口になります。

パルスモードで動作させる場合、レーザーのパルスごとのエネルギーを測定する必要がある場合があります。Ophirのパイロエレクトリックおよびフォトダイオードエネルギーセンサー製品ラインは、最大25kHzのパルスレートで、900nmで10pJ、1550nmで30pJという低いパルス エネルギーで測定できます。

レーザーがその機能を発揮するには、ビームプロファイルがパワーと同じくらい重要になることがあります。モード構造、ビームサイズ、ビーム品質、ビーム形状、拡散はすべてビームプロファイルを分析することによって決定されます。カメラベースのビームプロファイリングシステムは、カメラとBeam Gage解析ソフトウェアで構成されます。多くの場合、このシステムは、レーザーの用途に応じて、ビーム減衰またはビームサイジングアクセサリーと併用する必要があります。カメラベースのビームプロファイリングの利点は、レーザービーム構造をリアルタイムで表示および測定できることです。BeamGage™ソフトウェアには、豊富なグラフィカルインターフェイスと特許取得済みのUltraCal™アルゴリズムを備えたISO定量測定の広範なセットが含まれており、業界最高精度の測定を提供します。

この方法は、レーザー出力時のモード構造とサイズを測定するために使用されます。顕微鏡の対物レンズを使用して、ニアフィールドをカメラに画像化します。ニアフィールドビームプロファイリングシステムには以下が含まれます。

この方法は、光源から遠く離れたビームプロファイルと拡散角を測定するために使用されます。ファーフィールドには、直接法とイメージング法の2つの方法が使用できます。BeamGageソフトウェアは両方の方法をサポートしています。

レーザービームはCCDカメラビームプロファイラーに入射します。この方法は平行光に最適です。

レーザービームの幅が広すぎたり、急速に拡散してCCDセンサーに収まらない場合は、CCTVレンズを使用してディフューザーに入射するビームプロファイルを画像化します。

図11は、BeamGageソフトウェアユーザーインターフェイスのスクリーンショットを示しています。ビームプロファイルのさまざまなグラフ表示が表示され、ビーム解析情報が左側に表示されます。

ノイズとパルス形状の特性評価は、高速フォトダイオードディテクターを使用して行われ、時間領域 (アナログからデジタル変換後) または周波数領域 (スペクトルアナライザーを使用) で分析されます。Ophirは、応答時間が25psまでのシリコンおよび InGaAs高速ディテクターを提供しています。これらのディテクターは自由空間で使用でき、Ophirの積分球にも取り付けられます。

高速パルスの校正済みパワー測定の場合、図13に示す新しいCentauriレーザーパワーメーターは10kHzのサンプルレートで測定できます。

Ophirは、大手ブランドのOEM分光計を提供しています。積分球用ファイバーアダプターによりシステム統合が可能です。詳細については、お問い合わせください。

多くのレーザーシステムメーカーは、システムに測定機能を組み込む必要があります。Ophirは、長年にわたって蓄積された豊富な経験により、最も多様なOEM製品を提供しており、お客様の要件に最大限に応えることができます。OEMソリューションは通常、システム内のレーザーのパフォーマンスを監視し、場合によってはシステム制御に高速なフィードバックを提供するために必要です。

アプリケーションに応じて、次のようなさまざまな構成を使用できます。

• センサーのみ生アナログ出力付き
• 増幅またはデジタル出力を提供する電子機器を備えたセンサー
• 数値ディスプレイやPCインターフェースを含む完全な機器
• 特別な要件に合わせてカスタム設計されたソリューション