3D视觉应用即将被引爆，柯泰测试解读如何测试VCSEL

微访谈：柯泰测试技术总监田铮

采访背景： 2017年11月，苹果（Apple）公司携十周年纪念版产品iPhone X，发布了Face ID新功能，用于检测和识别用户人脸，从而实现手机解锁（详见：《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》）。在这款智能手机中，采用了三种不同的垂直腔面发射激光（VCSEL）。苹果推出的这一创新功能在业界引起轩然大波，智能手机前置3D摄像头的创新应用顿时让VCSEL大放异彩。安卓（Android）阵营紧跟步伐，纷纷在旗舰手机上增加类似功能。前置3D成像功能已经迈出了成功的第一步，采用飞行时间（ToF）原理的后置3D传感模组未来可期。据Yole在《VCSEL市场与技术趋势-2019版》报告中分析，2018年移动和消费类VCSEL应用创造了5.53亿美元的市场营收，预计到2024年增长将达到33.82亿美元，复合年增长率达35%，无疑是VCSEL市场中增长最为迅猛的应用领域！

2018年和2024年VCSEL市场规模预测，移动和消费类应用成为最诱人的“蛋糕”

VCSEL已经在数据通讯领域得到了大规模的成熟应用，而智能手机等3D传感应用对VCSEL的爆炸式的需求，来得如此迅猛，VCSEL产业链是否已经为此做好了充分的准备？媒体对砷化镓晶圆厂、外延厂、MOCVD设备厂商的动作关注较多，但VCSEL测试——作为保证VCSEL产品性能的最关键环节之一，产业发展和技术储备情况如何？麦姆斯咨询特地采访了柯泰测试技术有限公司技术总监田铮先生。

柯泰测试技术总监田铮

麦姆斯咨询：感谢田总接受麦姆斯咨询的采访。请您先向大家介绍柯泰测试的发展历程和主要业务，谢谢！

田铮：谢谢麦姆斯咨询的采访！

柯泰测试成立于2012年，由几位在测试测量行业拥有十年以上经验的合作伙伴共同创建，专注于电子仪器和测试技术领域。公司总部位于武汉，利用中国光谷的区位优势，一直重点服务于光电行业。现已在长沙、合肥、成都和常州成立分公司，并在武汉和常州设有研发中心。其中位于江苏常州的柯泰光芯（常州）测试技术有限公司，是我们今年布局的一个非常重要的子公司，它地处长三角区域，产业配套成熟，同时离国内很多芯片公司、封装厂、模组厂等产业链客户非常近，定位于为3D VCSEL产业链客户提供测试服务和保障。

公司主要业务包括测试技术和方案咨询、测试方案优化和软硬件系统集成、国内外知名品牌电子测量仪器的一级授权代理销售和技术支持等。

麦姆斯咨询：柯泰测试既代理国内外知名测试厂商的测试设备，也提供自研测试设备和解决方案。能详细谈谈柯泰测试自主研制的测试设备和相关服务吗？

田铮：柯泰测试以通用测试仪器为切入点，沉浸在测试测量行业已有多年。在和用户的沟通合作中，我们发现对于很多应用，通用测试仪器虽然必须，但只能算是半成品，需要针对用户的需求做改造、整合和集成工作。当遇到这些有共性的用户和需求时，我们就会投入精力和行业用户一起研制整合解决方案、完善测试设备。到目前为止，我们在射频、光电、材料、通信、智能制造、教育实验建设等方向有了不少积累。同时，我们也提供了多种不同的合作方式，以对应不同用户不同层次的需求。专业化、定制化、多元化合作，是我们服务客户的主要思路；帮助客户节约测试方案摸索的时间，让客户能更高效和更专注于产品的研发和迭代是我们服务的宗旨和主要目标。

麦姆斯咨询：柯泰测试是何时涉足VCSEL测试业务？主要为VCSEL厂商提供哪些服务？

田铮：我们和行业内众多公司一样，在苹果发布iPhone X时，就开始关注VCSEL技术的发展。在这之前，我们相关的VCSEL业务基本来自光通信领域，那属于传统光通信相关的测试，主要针对单珠。结构光方案和ToF方案使用阵列VCSEL，测试项目和测试方法都有较大变化，所以我们花了不少精力来研究相关的新的测试方法和测试工具。在与业界专家的沟通和实践中，我们了解了产业链上下游厂商关注的重点、难点和痛点。根据我们对于测试的理解和经验，打通了VCSEL阵列测试的主要环节。

目前，我们可为VCSEL产业链上下游厂商提供实验室研发和验证所需的测试系统，以及产线使用的自动化测试设备，还有品控使用的检验设备。除了成套的测试设备以外，我们也提供测试方案咨询业务。我们还可参与业界集成商的设备研发，做好测试方法的保障工作。另一方面，我们的实验室中有制作完成的样机，也可为用户提供小批量芯片或模组的测试服务。

麦姆斯咨询：3D视觉应用带火了VCSEL产业，国内的新兴VCSEL厂商数量也直线攀升。柯泰测试在这一轮浪潮中有何感受？

田铮：的确，从2018年初开始，有关VCSEL的消息越来越多，讨论越来越热烈，当然其中也有一些反复，但总体热度是越来越高的。我们接触到的业内用户数量也快速增长。

关于测试，芯片厂商、模组厂商、方案提供商、系统厂商和仪器供应商、集成商都各自遇到了不同的挑战，大多数都和“速度”有关。芯片厂商关注如何快速了解芯片质量并做出相应的设计调整，提高指标，占领市场；模组厂商和他们的集成商关注如何完成安全交付、提高测试效率以辅助产能的提高；方案提供商需要在软硬件上快速验证生物识别方案的可靠性；系统厂商关注如何快速改善产品性能，加快迭代速度；仪器供应商想及时了解所供仪器的使用方法、测试效果，以评估制订产品改善和升级的计划。

在我们和客户的沟通中，我们了解到VCSEL产业链上下游的参与者们在业务合作上都是和谐的。但对于测试的工具、方法、算法、实现等要素，业界成熟的方案其实并不多，特别是ToF方案，大多数新的需求的实现都还在摸索阶段，这会影响到新产品投入市场的速度。这也是我们存在的价值，我们了解测试工具、测试方法、方案实现，我们能辅助产业链各个环节快速完成相应测试，节约宝贵的时间成本，加速产品迭代。

麦姆斯咨询：您认为3D传感应用的VCSEL从研发成功到实现量产，其中有哪些痛点？柯泰测试在其中扮演怎样的角色？

田铮：目前来看，国内已经涌现出非常多VCSEL芯片设计公司，而且芯片性能也非常不错，也有一部分LED封装厂瞄准了VCSEL这个市场并准备向VCSEL产业转型。但整个VCSEL市场还处于培育期，国内的封装厂也不会投入很大的精力，正是由于这些原因，很多国内的芯片设计公司都是采用一种模式：研发设计在国内，而外延和封测则放在了海外。

这种模式的好处是可以依赖海外成熟的半导体产业资源，量产速度会比较快。但也会有一些问题，比如沟通成本较高，沟通效率偏低，如果遇到外界不确定因素，可能会造成项目延误。另外，研发阶段的测试不容易与海外的封测厂进行对接，由于测试环境的差异，会导致不少的无效沟通。

柯泰测试扮演着“桥梁”的角色，一方面给予国内VCSEL芯片公司测试保障，保证研发阶段VCSEL测试的专业性、严谨性、可追溯性；同时也能以合作的方式提高国内封装厂的测试专业度和量产测试能力。

麦姆斯咨询：请您向读者科普下VCSEL测试的主要项目和意义，以及VCSEL的芯片级测试和晶圆级测试。谢谢！

田铮：VCSEL芯片的常见测试项如PIV、Ith、PCE、SE、Kink、光谱、光学近远场、束腰、NA等，这些测试指标能全面的评估芯片性能好坏。

PIV曲线以及Ith（左），束腰和FOV（中），光学近场（右）

晶圆级测试是在Wafer（晶圆）生产阶段检验VCSEL芯片性能是否符合设计要求，并甄别出不符合要求的芯片，由于VCSEL为垂直发光类型，主要测试方式为盘测。而芯片级测试则是将Wafer展开、切割、封装成一颗颗芯片之后进行的测试，常见的测试项目包括PIV、光谱、光学近远场、人眼安全等；封装的时候会加入DOE（光学衍射元件）或者Diffuser（扩散片）等光学元件，这个阶段的测试也非常重要。

麦姆斯咨询：请您比较下LED、EEL（边缘发射激光器）和VCSEL在测试项目、测试方案和判定标准方面的异同。

田铮：LED是发光二极管，EEL是边发射激光器，VCSEL是垂直腔面发射激光器，他们相同的是都会需要电学特性和光学特性测试。最大的不同则是除了单颗芯片的测试外，3D VCSEL是由成百上千个点组成的阵列，尺寸要大很多，不仅要保证坏点率在一定范围之内，且整个光斑的均匀度也有严格要求。

麦姆斯咨询：VCSEL已经在光通信领域得到大规模应用，测试方案也相对成熟。近几年3D传感应用爆发，对VCSEL测试提出了哪些挑战？

田铮：其实VCSEL并不是新技术，但把它应用在3D传感领域时，对测试确实还是提出了不小挑战。例如如何解决窄脉冲和大电流的平衡：目前的ToF应用对脉宽要求到达了纳秒级别，同时电流却达到了10安培甚至数十安培的量级，在3D VCSEL的应用上可能还有一些可用的方案，但用于测试的方案却很少：可控、高精度、窄脉宽、大电流的仪器级别的脉冲电流源并没有完美的解决方案。另外一个例子：3D VCSEL测试目前没有明确的行业执行标准，不同的公司和机构可能测试方法各有不同，如何保证测试结果的可靠性和可参考、可对比性，以及如何进行溯源都是不小的挑战。而光通信领域经过多年的发展，这些测试相对较为成熟，很少遇到这类问题。

麦姆斯咨询：在消费类3D传感和成像应用领域，以结构光和飞行时间（ToF）为主流解决方案。应用于这两种3D视觉解决方案的VCSEL测试有何异同？

田铮：我认为对于这两种应用，结构光方案的测试解决方案难点在于光斑的算法，对测试硬件本身的要求不算太高；而对于ToF方案的测试，虽不需要复杂的光斑算法，但对驱动电流源和调制频率提出了很高的要求，其最终测试方法和流程也还有很多争论。所以简单来说，结构光方案测试的硬件成熟，测试结果依赖算法；而ToF方案的测试随用户的要求提高有很大变化，从趋势上看，解决测试方案的硬件瓶颈是近期业界的普遍要求。

麦姆斯咨询：目前柯泰测试已经和哪些国内VCSEL厂商展开了合作？进展如何？

田铮：柯泰测试和VCSEL产业链的很多知名企业都有沟通和合作。由于NDA（保密协议）的约束，我在这里无法提供具体的信息，请谅解。

我们和这些兄弟厂商的合作并不是简单的生意往来，更多的是互相学习借鉴，研测相长。这里举一个真实的案例。有位用户自己搭了一套LIV测试系统，所用设备都是顶级的，但对仪器的使用不太熟悉，在测试工作中自己摸索了一两个月，测试结果都不理想。后来他们请我们的工程师上门帮忙，一个下午就搞定了测试流程，测试结果甚至好于代工厂提供的数据。

在我们的合作伙伴之中，有很多是初创企业。当然我们在这个行业也是新来者，因此我们能互相理解彼此的关注点和痛点。因为目标都是长期合作，所以我们抱着谦虚、坦诚、为对方着想的态度，努力提高我们服务的及时性和性价比。正是因为这样，我们的合作伙伴也慢慢理解我们超出普通仪器供应商的价值，尊重并认可与我们合作的附加价值。

麦姆斯咨询：柯泰测试在VCSEL测试业务的核心优势是什么？

田铮：我们在测试上做了很多工作，目前在这几点上还是很有信心的：首先，我们专注在测试领域，不发散，只做自己擅长的事；第二，我们的测试方案非常灵活，可以根据不同的客户做定制；第三，在专业素质上，我们的团队成员都是在测试领域耕耘多年的“老司机”，测试经验丰富；第四，我们对3D VCSEL的产业链各个环节所需要的测试环节非常熟悉，能够帮助客户提高测试效率，少走弯路。另外，我们不是测试服务外包商，而是测试方案整合者，我们不仅会帮助客户解决“怎么测”的问题，更会让客户理解为什么要这么测，与客户一起进步和提升。

麦姆斯咨询：就3D传感应用的VCSEL测试业务，国内的VCSEL测试水平与国外相比是否存在差距？如有，请谈谈主要差距。

田铮：这是个很专业的问题。3D VCSEL测试设备，从“硬”条件来说，国内外并无明显差距，测试硬件根据不同的要求，品牌和型号都很明确，国内外用的设备基本一致。主要的差距应该说是测试方案中“软”的方面：也就是实现方案、一些特殊模块，以及服务。

在测试方案方面，国外的一些设备商因为起步较早，有比较全面成熟的方法和设备。但由于和系统厂商的保密协议或其它因素，这些设备或模块或算法有的不能供给特定厂商以外的客户，有的可定制化程度比较低，有的价格高且供货期非常长。所以对于国内产业链客户千变万化的需求与时效要求来讲，国外设备厂商或多或少有“水土不服”的问题。

国内测试设备起步较晚，但优势是产业链完备、性价比好、可定制化水平非常高，只要有切实可行的测试方案，通常都可以更好地满足国内客户的测试要求和供货要求。但可惜的是，目前测试方案提供商比较少，能够整合产业链资源并独立完成测试设备交付的厂商不多，所以广大的客户常常是自己研究，摸着石头过河，效率提高较慢，也在一定程度上拖累了VCSEL应用的前进脚步。柯泰测试，致力于成为一个测试方案提供者和资源整合者，用我们的专业经验来助力VCSEL行业的前进。

麦姆斯咨询：请您谈谈柯泰测试的未来五年规划吧！

田铮：测试是VCSEL产业链的辅助环节，我们并没有非常宏大的引领行业的规划。我们的想法也非常务实：紧跟行业步伐，顺应产业趋势，发挥自己特长，细心周到服务！

其实我们自己也有Cotest 1.0/2.0/3.0等多个五年规划。基于第一个五年规划我们以每年超过50%的增长速度提前完成目标，现阶段是第二个五年规划的稳步实施期，而第三个五年规划细节还在酝酿，肯定会跟3D视觉相关。

对于我们所专注的测试领域，我们一定会努力做好产业链客户的帮手。也希望产业链的朋友认可我们的业务和价值，把专业的事情交给专业的人来做，节约宝贵的时间和人力成本。

麦姆斯咨询：您将出席9月3日在上海举办的『第二十六届“微言大义”系列活动：3D视觉技术与应用（消费领域）』。届时您将与大家做哪些内容分享，可以透露下吗？

田铮：按照会议的安排，我们会在主题演讲中做25分钟的内容分享，主要介绍柯泰测试提供的技术和服务，以及合作模式。另外，我们在同期展会即2019年中国（上海）传感器技术与应用展览会有一个展台（F015），我们的技术人员将在展台上恭候大家的光临。如果大家有测试方面的问题，欢迎和我们讨论沟通。我们也期望能借这个机会，认识新朋友，在自我介绍的同时，了解新技术，向朋友们多学习。

解密易飞扬40G QSFP+ PSM4光模块

一、背景和意义

在1980年2月IEEE 802 标准委员会成立之后，以太网在各个层面中的输送速度有了显著提升，更新时间随之大幅缩短。随后，IEEE采纳了802.3ba，为40G/100G 以太网的发展带来了更大空间。借助网速的提升，网络将新发现的10G以太网资源移动到接入层，使得更强大的 40G 以太网设备处理聚合层及核心层的流量。综合来看，40G/100G 以太网必将成为IT环境不可或缺的一部分。

40G/100G 以太网是由IEEE 802.3ba Group 开发的以太网标准，支持每秒 40/100Gb的以太网帧传送，同时确立了通过主干网络、铜缆布线、多模光缆和单模光缆通信的物理层规范。40G 以太网拥有四倍容量，且可经济地迁移至100G以太网。当前部分生产商，在考虑到迫切程度的增加以及价格的降低等因素，是否应暂缓部署 40G 以太网技术而等待100G以太网面市方面出现争论，但鉴于40G以太网的设计灵活性和相对 100G 以太网的成本优势，这不一定是一个问题。

目前，40G已以太网普遍应用于接入链路。以太网标准传统上依靠双工光纤布线，每个信道有一条光纤负责发射，另一条负责接收。但802.3ba 标准要求每个信道有多个流量通道。虽然10G以太网仍被广泛运用于数据中心，但我们必须提前考虑未来需求：高带宽应用，例如服务 器虚拟化和云计算、数据中心光纤整合、以及最终用户对于更高性能计算的需求。对更快的数据传输速率的需求将不断增长并对网络生产效率和成本带来重要意义。OTN是由一组通过光纤链路连接在一起的网元组成的网络，可对信号提供更短的物理封装层次，传送效率更高，支持更高带宽，传送层的监管更完善，协议完全透明，因此越来越多的不同客户信号类型（如SDH\Ethernet、Fibre channal）需要在OTN上进行传输。

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二、40G PSM应用

作为一款高度集成四通道模块，40G PSM具有更高的端口密度的优势，同时也为整个系统的运行节省了不少成本。这种光模块的光口采用了单模技术PSM（Parallel Single Mode），利用四通道全双工并行设计的MPO/MTP接口，可实现10KM的有效传输。经过激光器阵列将电信号转换成光信号，再由光电检测器阵列将光信号转换为电信号，简言之并行的光信号是通过8根光纤进行平行发送的。

40G PSM除了支持常规SDR/DDR/QDR带宽连接、10/40G以太网、数据中心应用外，易飞扬等推出的40G PSM LR4更是满足了SONET OC-192, OTU1e, OTU2 ,OTU2e 和 OTU3速率的应用要求，拓宽或弥补了40G LR的应用领域。

三、40G PSM工艺介绍

同为40G LR系列产品，40G PSM LR/IR区别于40G LR/IR的地方主要在于发射和接收器件，这也决定了两者在生产工艺上的大不同，40G LR/IR组件采用4通道集成气密性蝶形封装的形式，在TOSA和ROSA里面分别结合了CWDM-DEMUX/MUX技术，而40G PSM LR/IR顾名思义是四路单模并行，四通道独立而统一，以COB形式制作。

对比同样采用COB工艺的40G SR4，以易飞扬40G PSM LR4为例，其工艺难点在于发射端四通道统一性的把控，因为四通道发射器件的独立制作增加了不确定性和通道差异性。从LD、透镜、隔离器等与载体、基板的组装到光耦合,光耦合可以说是整个成品制作流程的重中之重，目前易飞扬生产采用施加特定大小值的直流电流对激光器进行耦光，避免了交流耦光的繁琐。

由于通过金线绑定实现激光器供电，LD+、LD-和GND之间的联系和隔离就显得尤为重要了，下图红色标记处为三者所处基板之间的隔离槽，若任意两者通过载体或基板实现不正常连接，激光器工作异常。除此之外，LD本身在整个过程中也有被损坏的风险，故而延伸出LD性能检验环节，同理PCBA检验文件也在前端对项目顺利有效进行起到了良好的作用。

产品光纤接口类型为MPO，对应插芯类型为APC，即所说的斜面插芯，倾斜角度为8°。

四、探测器及激光器性能检验数据：

1、探测器参数测试：

2、探测器参数测试

光谱分析：

3、PIV曲线扫描

4、高低温激光器性能测试

五、模块热量分布（40G QSFP PSM LR4）：

模拟条件：环境温度25℃&70℃

自然对流20W

导热片11W

25度环境温度下QSFP TOP面温度分布

25度环境温度下QSFP BOTTOM面温度分布

70 ℃环境温度下QSFP TOP面温度分布

70 ℃环境温度下QSFP BOTTOM面温度分布

70 ℃环境温度下QSFP 内部温度分布

结论描述：光模块在自然对流情况下温度最高的位置是是DFB器件，PCB板的温度分布集中位置是位于左边的两个DFB CHIP，因其底下的散热面积较小且较靠近MCU，需要加强散热。

六、40G PSM 前景：

随着40G光模块及其相关系列产品的成熟，功能型设计已然不是行业的主要卖点，性价比取而代之，即成本和性能可靠性的优化。在40G、100G产品中，高密度、小体积成为业界共同追求的目标，因此阵列芯片已经成为高速产品的唯一选择。对于PD和VCSEL来说，加工成为阵列相对容易很多，而对于长距传输的DFB、FP激光器，由于材料和工艺本身的限制，加工成为阵列非常困难，行业里很难见到DFB阵列芯片或者FP阵列芯片。尽管如此FA在40G、100G光器件的需求是增长的，所以40G PSM作为长距系列产品的优势和趋势不言而喻。

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