新方法改进了激光二极管的检测

新方法改进了激光二极管的检测
  

  
  电信用高功率激光二极管的检测存在一些误差源。这些误差源包括耦合高电流脉冲、光探测器耦合、探测器本身的慢速响应和误差。处理好这些问题，就可以缩短测试时间、提高测试的准确性，降低不合格率。

  LIV曲线

  激光二极管的基本检测是光-电流-电压（LIV）曲线，即同时测量电和光的输出功率特性。这种测试可以在生产的任何阶段进行，但首先用于激光二极管的挑选，即提前排除坏的二极管。

  对被测器件进行电流扫描，记录每一步扫描的电压，同时，使用仪表监测光输出功率。这个测试最好以脉冲方式在生产初期，在激光二极管被装进模块之前进行。此时，二极管仍处于原始状态，脉冲检测是必要的，因为此时组件没有温度控制电路。如果用直流电测试，至少会改变它们的特性，最坏会将它们损坏。在随后的生产中，当它们被安装在有温度控制的模块中时，可用直流电进行测试，结果可与脉冲测试对比。另外，一些二极管能通过直流测试但不能通过脉冲测试。

  分析LIV测试数据可以确定激光器的特性，包括产生激光的临界电流、量子效率和输出的非线性特性（图1）。

  检测激光二极管需要一个恰当形式的电流脉冲。它应尽快地达到满电流状态，并保持足够长时间的平稳，以确保结果的准确。在最初阶段的测试中，一般使用宽度为0.5ms到1ms的脉冲。电流变化范围从几十毫安到5安培。

  

  图一

  阻抗匹配

  要传递高速电流脉冲给激光二极管，同时要避免反射问题，一般认为可以选用传输线——例如一段同轴电缆。但最常用的那种同轴电缆有50Ω的阻抗，而二极管的阻抗大约为2Ω，很不匹配。尽管可以串联一个48Ω的电阻，但这样将产生新的问题；50Ω的系统通过5A电流将需要250V的电压，这对于人和设备都是十分危险的。此外，由于激光器的动态电阻随?电流增大而减少，所以测试条件随测试进程而改变。

  使用低阻抗同轴电缆可能是一个有效的解决办法，但这样做会改变激光二极管的动态电阻。另外一个办法是：用两根10Ω的同轴电缆连接激光二极管，在电缆两端施加脉冲电流（图2）。这样，对二极管施加小于10V的电压就可产生5A电流。因为系统有电流源，避免了二极管动态电阻改变带来的问题。

  即使最仔细地对阻抗进行匹配，也不可能完美，因此使用尽可能短的传输线是很实际的方法。这也是为了将连接激光二极管的回路面积减少到最小。

  

  图二

  电测量

  在激光二极管上加上高速脉冲时，测量它的电压和电流不太容易。用阴极射线管探测器来测量电压也会引发问题，其中一个问题是如何接地。探测器的频率范围必须达到1GHz。

  电流测量就简单一点。用一个低值电阻器（阻值低于激光二极管的电阻）与二极管串联就能进行测量，但要求电阻器的电容和电感系数很低。绕线电阻器有电感损耗，所以不适于高频测试。

  选择光探测器

  现有三种常用探测器材料：硅、锗和铟镓砷（InGaAs），每一种有它自己的优点和缺点。如图3所示，探测器的选择很大程度上取决于它所适应的波长。当波长小于800nm时，硅是唯一的选择。但电信领域中常用的波长在1300nm到1700nm之间，这时铟镓砷是最好的，因为它的响应特性在此区间非常平稳。然而，铟镓砷对脉冲的响应存在问题。为避免激光二极管过热，最好用足够短的脉冲来测试，但铟镓砷探测器却需要足够长的时间来达到某种稳定状态。

  如图4所示，即使在10微秒脉冲内，铟镓砷探测器也很不稳定。如果脉冲宽度减少到1微秒，这问题将会更严重。锗探测器不存在这种问题，所以它更适用于短脉冲。

  

  图三

  

  图四

  探测器耦合

  有几种方法可以将激光二极管的输出耦合到探测器。一种方法是将激光直接打到探测器上，但这种方法有几个缺点。其一，不能保证所有的光都照射到探测器上。例如，发射光束的截面是椭圆形的，或者光束的直径大于探测器的有效接收区域，再或者发射光束没有对准探测器，这些都会导致一部分光丢失。其二，一些探测器对偏振敏感，这将引发更多的错误。其三，一些高功率激光二极管的输出会使许多探测器达到饱和而失效。

  积分球通常是最佳的解决方案，它是一个中空的球体，内表面涂有高反射材料，有两个端口，一端固定在探测器上，另一端用来输入被测光（图5）。积分球能接收从光源发出的所有的光，经散射将光均匀分布在内表面上，安装在积分球侧面的探测器能“看到”输入光的一个固定比例（大约1%）。这样既可以算出全部入射光的功率，还可以测量很高功率的光，而不必担心探测器被损坏。

  

  图五

  检测速度

  曾经有段时间，光纤通信设备的需求超过供给，生产商的效率成了次要的问题。然而，今天检测工作也必须像其它事情一样快速、准确和便宜。这表明光功率计不是好的选择，这种仪器的检测时间过长。

  为避免这个问题，标准的做法是使用一套仪器，包括脉冲源、光测量部件（光敏二极管探测器等）、一对高速电流电压转换器和一个高速多信道数字取样示波器（DSO）。脉冲源产生脉冲，其它仪器测量电学和光学响应。

  这一过程可能需要几千个脉冲。有时候每一个电平就有几百个脉冲。这样看起来是提高了灵敏度、准确度和精确度，但掩盖了波形扭曲的问题。这也是一个漫长的过程，每个被测设备要花费几十秒到几分钟的时间。这套系统每天大约能测2500个零件，每套检测设备大约花费15万美元。

  更新的办法是在一个单一仪器中包括所有功能。这种仪器本质上是一个脉冲源测量单元，其输出阻抗和电缆与激光

  二极管的阻抗十分匹配。系统的测量部分将多通道数据采集、专门的定时电路、高速电流电压转换器和数字信号处理器（DSP）整合为一体，数字信号处理器仿效DSO的功能并控制测量程序。

  这种仪器按照GPIB总线给定的检测顺序，由内部的DSP进行编程，决定LIV扫描的先後顺序。一旦完成编程，就不需要其它设备的指令或计算机控制，数字信号处理器将独自执行脉冲的LIV扫描。实际上，仪器通过数字I/O端口直接给各部件提供控制信号。

  通过DSP实现了对脉冲测量结果的快速分析，不再像以前那样耗时。这样将脉冲电流电压检测时间降低到了几秒钟，并且将软件的复杂性降到了最低。

  因单台检测只需几秒钟，即使在系统利用率只有85%的情况下，每天仍可对15000个二极管进行检测。购买这样的系统只需花费原来价格的一小部分，但带来了更高的生产能力。

  这类系统可设计成脉冲和非脉冲两种模式。两种功能可在同一个平台使用，通过同样的检测通道对两种类型的LIV进行扫描。比较脉冲式和非脉冲式的检测结果可为被测器件的性能提供更完全的信息。

  将所有相关功能合并到一个仪器中的第3代LIV检测系统可大大提高检测能力。