Application Lidar automibile

Comment relever les défis du tests des diodes VCSEL et faire ainsi progresser le Lidar ?



  • Les diodes VCSEL sont les pièces maîtresses des systèmes de télédétection par laser ou Lidar couramment employés pour la mesure de distance.
  • Les Lidars sont utilisés dans une variété d’application d’imagerie et de cartographie 3D de l’environnement. Ils sont notamment embarqués dans les véhicules autonomes pour la détection des objets qui les entoure ainsi que pour la reconnaissance 3D, la robotique, la surveillance environnementale…
  • Les performances et les caractéristiques du Lidar reposent en partie sur celles des diodes VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) qui doivent donc être rigoureusement testées afin de s’assurer de la fiabilité du Lidar.
  • Cependant, comme l’explique Andrea Vinci, responsable marketing technique chez Tektronix, le test des diodes VCSEL réclame des procédures de test spécifique et ma mise en œuvre d’instruments appropriés.
  • Face à ce constat et pour s’affranchir de ces difficultés, Tektronix a notamment intégré au sourcemètre 2601B-Pulse de Keithley une technologie d’optimisation des impulsions permettant de réaliser des tests répondant aux spécificités des diodes VCSEL ainsi que d’autres composants exigeant le recours à de très brèves impulsions et à de relativement hautes intensités de courant.

 
Le LiDAR (Light Imaging, Detection And Ranging pour détection et estimation de la distance par laser) émet via des diodes lasers un faisceau de lumière invisible balayant l’environnement qui l’entoure. Il détecte ainsi les cibles se trouvant à une plus ou moins grande distance de ses capteurs afin de créer une cartographie 3D des objets se trouvant à proximité. Le Lidar peut être exploité pour diverses applications. Il est notamment au cœur des fonctions critiques de détection de piétons, d’animaux ou d’autres objets avec lesquels un véhicule autonome pourrait entrer en collision.

Comme le radar, le Lidar exploite le principe de l’écholocalisation. Cependant, alors que le radar émet des ondes électromagnétiques à des fréquences de l’ordre de 1 à 100 GHz, le Lidar émet des impulsions lumineuses dont la longueur d’ondes s’étend selon les cas de l’ultraviolet à l’infrarouge. Lorsque l’onde lumineuse émise par le lidar est réfléchie sur une cible, la mesure du délai entre l’émission d’une impulsion laser et la réception de l’impulsion réfléchie permet de déterminer la distance de cette cible. Le décalage de la fréquence entre l’onde réfléchie et reçue permet de déterminer la vitesse de la cible.

Un Lidar repose sur des diodes VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser). Il s’agit de diodes laser à semi-conducteur émettant un rayon laser perpendiculairement à la surface, contrairement aux lasers conventionnels à semi-conducteur émettant par la tranche. Plusieurs dizaines de milliers de diodes peuvent être fabriquées simultanément sur un wafer. Les diodes VCSEL émettant aux longueurs d’onde comprise entre 650 nm et 1 300 nm sont en général produites sur des wafers d’arséniure de gallium (GaAs).

Structure d'une diode laser VCSEL.
Contrairement aux diodes lasers à émission latérale, les diodes VCSEL émettent perpendiculairement à la surface du semi-conducteur. (Source : Twenty-One Semiconductors)

Pour les applications Lidar automobiles, les diodes VCSEL doivent présenter des caractéristiques tout à fait spécifiques. Chaque diode VCSEL doit donc être testée pour s’assurer qu’aucun composant défectueux ne sera embarqué dans un véhicule, et éviter ainsi de potentiels incidents ou tout risque d’accidents. Les Lidars sont composés d’un ensemble de diodes VCSEL. Leur test pose donc de réelles difficultés puisqu’il nécessite la vérification du fonctionnement de chacune des diodes VCSEL individuellement tout évitant d’endommager la diode VCSEL sous test, les diodes VCSEL adjacentes et l’appareil de test. Pour tester les diodes VCSEL durant la phase de développement, des mesures automatiques de courant, de tension et d’intensité lumineuse sont réalisées afin d’en déterminer les spécifications clés. Les diodes VCSEL sont ainsi testées pour s’assurer du respect de leurs spécifications, ainsi que des standards de qualité, de fiabilité et de sécurité.

Le test des diodes VCSEL nécessite la génération de très étroites impulsions et des courants de commande spécifiques. Les instruments de test doivent délivrer de très brèves impulsions de courant, généralement inférieures à 100 μs, à des niveaux élevés. Si les impulsions de courant ne sont pas suffisamment étroites, des phénomènes d’auto-échauffement peuvent induire des mesures optiques imprécises, comme notamment des mesures erronées de la longueur d’onde. L’application de niveaux de courant élevés pendant une certaine période peut entraîner des dommages matériels, et potentiellement détériorer l’extrémité des sondes lorsque les diodes VCSEL sont testées directement sur leur wafer.

Les ingénieurs R&D chargés du test des diodes VCSEL doivent être capables de synchroniser plusieurs instruments et ajuster les caractéristiques des impulsions tout en respectant les cadences, les coûts et la fiabilité attendus en production. Les tests nécessitent souvent l’utilisation de plusieurs instruments : une source d’impulsions de courant indépendante, une source de tension, un multimètre numérique et un système de commutation permettant le test d’une matrice de diodes VCSEL. Il est indispensable de synchroniser les instruments pour éviter les erreurs de mesures tout en évitant tout éventuel dommage matériel.

Le câblage et l’inductance peuvent s’avérer problématiques lors de la génération d’impulsions de courant. L’inductance, qui peut avoir un effet limitatif et même être potentiellement dommageable, diffère d’un composant à l’autre, même lors du test de diodes laser sur wafer. Comme l’inductance résiste aux variations de courant, il est possible que la source de courant accroisse le niveau de tension en sortie, ce qui entraîne un dépassement de seuil et une sur-oscillation avant que l’impulsion ne se stabilise. Bien que cela ne soit pas problématique pour tous les tests, cela représente un défi dans de nombreuses situations. Certaines solutions nécessitent également de réaliser des réglages chronophages afin de compenser ces phénomènes. Ces contraintes peuvent conduire à l’obtention de résultats de test inexacts et à des dommages matériels. Ce qui impacte la fiabilité des diodes VCSEL.

Sourcemètre Keithley 2601B-Pulse de Tektronix.
Le sourcemètre 2601B-Pulse de Keithley propose une technologie d’optimisation des impulsions de courant adaptée à la caractérisation des Led et des diodes laser.

Les défis que représentent le test de dioces VCSEL ne peuvent pas être relevés sans le développement de solutions de test et de mesure innovantes permettant de surmonter de tels obstacles et d’éviter les pièges des méthodes de test conventionnelles. Les ingénieurs de test doivent être en mesure de garantir l’intégrité de chaque diode VCSEL pendant les essais. Et pour maintenir la confiance dans les résultats des tests et préserver la viabilité des équipements, les largeurs d’impulsion doivent être étroites pour éviter les phénomènes d’auto-échauffement matériel. Il convient également de prendre en considération les problématiques liées à la synchronisation des instruments et au réglage des caractéristiques des impulsions. La solution idéale doit éliminer les procédures de réglages manuels lors de changement de charge, et réduire le nombre d’équipements de test nécessaire. Ce qui permettrait de s’affranchir du même coup de l’impact potentiellement négatif lié à l’emploi de plusieurs instruments.

Les contraintes que présentent l’analyse approfondie des diodes VCSEL a ainsi conduit Tektronix a développé la technologie PulseMeter qui a été intègrée à son nouveau sourcemètre 2601B-Pulse de sa marque Keithley. Cette technologie vise à s’affranchir du réglage des impulsions en délivrant des impulsions de courant d’à peine 10μs à 10A et 10V, minimisant ainsi l’échauffement par effet joule.

  • A propos de l’auteur
    Andrea Vinci est directeur marketing technique chez Tektronix, responsable du portefeuille de produits Keithley. Il a obtenu sa maîtrise en génie électronique à l’université de Padoue en 2000, en contribuant à la norme IVI pour la programmation des instruments de test et de mesure. Il a ensuite occupé durant 12 ans diverses fonctions techniques. Depuis 2011, il a rejoint Tektronix pour poursuivre sa carrière dans la vente, notamment pour les clients du secteur des semi-conducteurs et de l’automobile dans la région EMEA et en se spécialisant dans les solutions de test de l’électronique de puissance. Il a entamé un nouveau chapitre de sa carrière en rejoignant le département Marketing.