CN101183136A - 高功率半导体激光器可靠性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种检测分析方法，具体涉及一种针对高功率半导体激光器及阵列激光器的质量和可靠性进行检测和筛选的方法。首先测出激光器V－I和P－I曲线，经计算机处理得到电导数曲线IdV/dI～I和光导数曲线dP/dI～I、d²P/dI²～I，然后从光导数曲线d²P/dI²～I或电导数曲线IdV/dI～I得到被测器件的阈值电流Ith，从而得到b、m、Rs1、Rs2、h各参数，再由二阶光导数曲线阈值处的峰高H，峰宽W，峰高峰宽之比Q给出激光器激射时的光特征；最后将所得的各参数与同种结构的器件参数的正常值相比较，从而判定所检测的高功率半导体激光器或阵列激光器的质量和可靠性。本发明方法对器件的筛选具有无损快速简便的特点，适合于广泛使用。

Description

高功率半导体激光器可靠性检测方法

技术领域

本发明属于激光器检测分析领域，具体涉及一种针对高功率半导体激光器及阵列激光器的质量和可靠性进行检测和筛选的方法。

背景技术

已有的半导体激光器的可靠性检测方法是采用电老化法，在提高温度、加大电流的情况下加速老化一定时间(如24小时或更长)的方法，通过测量将阈值电流或输出光功率老化前后变化大的器件筛选掉，从而判定器件的可靠性。这种方法费时、耗电，还要有足够容量的老化台。对高功率阵列激光器来说，驱动电流一般都在几十安培以上，老化台要有更大的电流容量。另外，阵列激光器价格昂贵，电老化必然减低其使用寿命，如有冲击损失严重。

发明内容

本发明目的是提供一种通过导数测试(包括电导数和光导数)对高功率半导体激光器和阵列激光器的质量和可靠性做出检测和筛选的方法。

采用导数测试的方法，可以得到一些与器件质量及可靠性紧密相关的参数，通过参数的值来对激光器的质量和可靠性作出判断，具有简便、无损、快速的特点。

具体的步骤如下：

①测出被检测的高功率半导体激光器或阵列激光器的V-I和P-I曲线，经计算机处理得到电导数曲线IdV/dI～I和光导数曲线dP/dI～I、d²P/dI²～I，其中I是激光器的驱动电流，V是激光器的驱动电压，P是激光器输出的光功率；

②从光导数曲线d²P/dI²～I或电导数曲线IdV/dI～I得到被测器件的阈值电流Ith，对IdV/dI～I曲线在阈值电流Ith前后两部分曲线进行直线拟和，得到两个斜率和截距，阈值前部分的截距为mkT/q，斜率为Rs1，阈值后部分的截距为b，称为b参数，斜率为Rs2。m为结特征参量，k为波尔兹曼常数，T为被测器件的绝对温度，q为电子电荷，Rs1、Rs2为阈值前后的串联电阻，由阈值电流Ith附近曲线的极大值与极小值的差值得到下沉高度h；

③由二阶光导数曲线阈值处的峰高H，峰宽W，峰高峰宽之比Q给出激光器激射时的光特征；

④将所得的各参数与同种结构的器件参数的正常值相比较，从而判定所检测的高功率半导体激光器或阵列激光器的质量和可靠性。

上述方法中所述的合格的激光器的b(绝对值)、m、Rs1、Rs2、h应处于该类激光器的正常值范围内，H、W、Q应在一定范围内取值；所说的正常值是对被检测的一批激光器进行抽样，用常规的可靠性检测方法如电老化法，或采用本专利所述方法对已知的正常工作状态的一定数量的激光器进行测量，统计确定的各项正常值。

电导数曲线在阈值电流Ith处出现下沉，下沉高度h是激光器结电压饱和所致，对同种类器件，h值差异是器件制备过程中材料参数、结构参数差异及工艺分散性等因素造成的，h值偏小的器件，往往可靠性差。结特征参量m受接触的非线性、异质结界面状况、非辐射复合、漏电等因素的影响。对一个半导体激光器，m值的大小与材料质量及工艺水平有关。因此，一般来说可靠性好的器件m值应在一定范围内取值。串联电阻Rs1一般表示器件的接触好坏，Rs1偏大可能与图形尺寸或压焊质量及帽层电阻率偏高等有关。串联电阻偏大的激光器，热耗散功率大、结温升高、阈值变大，且是恶性循环。在大电流驱动下串联电阻变化明显，如果有源区有过剩载流子存储会使Rs2变大，如果载流子漏明显会使Rs2变小。电导数曲线在大于阈值电流Ith的部分向下弯曲，通常是由于器件存在一个和结相并联的非线性通道等有关，b参数变大，如果有源区有载流子积累，b参数会变负。

光导数给出激光器与激射过程和状态相关的参数，如果激射在某一电流下(阈值电流)瞬间发生，则二阶光导数会出现一个陡的峰，H大、W小、Q大。高功率激光器有源区尺寸大，会出现丝状发光区或模式跳变等，这与有源区材料的均匀性有关。如果有源区均匀性不好、有丝状发光区出现或阵列器件中的单元器件一致性不好对激光器可靠性有重要影响。

一、导数测试系统简介：

本系统采用虚拟仪器技术。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测试结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

硬件系统框图如图1和图6所示：

测试系统的硬件由以下部分构成：

1、一台PC机

利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，同时实现信号数据的运算、分析和处理，包括数据的存储和打印。

2、数据采集卡

本系统采用NI的多功能数据采集卡PCI-6014，其主要特性为：

●200kS/s采样率、16位精度的16路模拟输入

●2路模拟输出、16位精度

●8条数字I/O线(5V TTL/CMOS)；

●2路24位的定时/计数器；

●数字触发；

●4组不同的模拟输入范围；

PCI-6014数据采集卡有100GΩ的输入阻抗，能探测到模拟输入信号4μV范围内的变化。由它完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换，能确保系统有很高的测量精度。

3、高功率程控电源

本系统采用的程控电流源SM35-45是荷兰DELTA公司生产的大功率直流电源，最大输出电流可达45A，主要用于为待测试的高功率阵列激光器提供工作电流。该电源提供RS-232或IEEE488接口，控制精度为14位，可用以实现电压、电流输出的程控功能，所支持的仪器语言有IEEE488.2公用命令、SCPI语言、DPL(DELTA编程语言)等三种。本系统选用了RS-232接口、SCPI语言。

4、光电转换电路

光电转换电路在系统中的基本作用是测量激光器的光功率曲线P～I，本系统的光电转换模块的电路图如图2所示。

该电路中光电池处于零偏置状态，其等效负载电阻为零，此时光电池输出电流I与光照度E有极好的线性关系，运算放大器输出电压等于光电池短路电流Isc与放大器反馈电阻R1的乘积，即

U_o＝I_sc·R₁

而在光电池的伏安特性线性区光电流的大小与入射的光功率是线性关系，即I_sc∝P，从而U₀＝C·P，其中C为一常系数，通过校准获得。一般用相应范围的功率计校准即可。本系统中的光电转换电路有较高的线性度和足够的动态范围。

5、压控恒流源

如图7所示，系自制压控恒流源，其有较大的输出电流以满足单管高功率激光器的驱动，而且有较高的线性度和稳定度。原理如图7所示，其中V_i为控制电压，R_s为取样电阻，A为反馈网络的电压放大倍数，如图可知负载电流为：

$I=\frac{V_i}{A\·R_s}$

理想情况下A、R_s均为定值，可见负载电流I与控制电压V_i成正比。实际电路中，反馈网络增益A设定为50，取样电阻采用0.1Ω的高精度金属线绕电阻，温度系数很低，稳定性好，控制电压0～10V取自数据采集卡PCI-6014的模拟输出端，压控恒流源输出电流范围为0～2A。

6、样品室

样品室要根据所测激光器封装不同而不同，主要要求清洁的、能满足所测激光器的散热要求、避免强光干扰即可。

测试系统的软件：

系统软件设计基于Measurement Sutdio平台中的Visual C++.NET语言，由MFC生成应用程序框架，使用文档/视图结构、并将视图类的基类选为“CFormView”，添加了MSComm控件用于PC机与SM35-45的通信使用，实现虚拟面板功能的前面板软件程序并定义测试功能的流程。

应用程序中加入了NI的类库，包括NI提供的用于测试、测量、控制的许多专用组件，以及NI数据采集卡驱动程序DAQmx为Visual C++.NET提供的编程接口，以完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

整个程序是面向对象结构的，但其中测试部分是面向过程的，可画出如图4所示流程图。程序开始执行后，进入输入最大扫描电流值及激光器编号的界面，完成输入并确定后，程序读入我们根据所测激光器设定的最大扫描电流值，计算出相应的扫描电流步长值。测量任务初始化完成后，程序开始发出控制指令，供电电源开始输出第一个测试点的扫描电流，适当延迟时间后，程序开始从采集卡读入光功率和激光器工作电压，多次读取后取平均值存入相应位置，该点测试完成后，开始发出新的指令，使供电电源开始输出下一个测试点的扫描电流、进行下一点的测试。这样逐点进行测试，直到测至最大扫描电流结束。接着进行扫描电流归零，同时开始数据处理画出测试曲线，回到开始界面。

二、系统功能

各曲线的测量是由导数测量系统完成的，该系统由PC机、数据采集卡、高功率程控电源或自制压控恒流源、光电转换电路组成。

系统的工作原理为：PC机通过自身的RS232串口控制高功率程控电源，为半导体阵列激光器提供步进扫描电流I，或者通过数据采集卡控制压控恒流源为半导体单管激光器提供步进扫描电流I，激光器的端电压V和由光电转换电路测量得到的激光器光功率P分别由数据采集卡的模拟输入端(AI₀、AI₁)采集回PC机，于是得到数字化的V～I、P～I曲线，在PC机中V～I、P～I曲线进一步通过软件数值微分处理，获得IdV/dI～I、dP/dI～I、d²P/dI²～I曲线以及各相关参数。相关参数有m、h、b、Ith、R_s1、R_s2、F、W、H、Q等。上述工作都是由微机软件控制，快速完成的，具有智能化、自动化的特点。

阵列激光器由于其工作时的等效电阻非常小、驱动电流非常大，为避免导线电阻的影响，我们在阵列激光器的电极上另外引出一对电压测试线到数据采集卡的电压测试输入端口，利用数据采集卡的输入高阻抗特性精确测量激光器的工作电压，也称四线电阻法。

三、系统操作

扫描电流(如图3所示)的能够达到的最小步进值与D/A转换的精度以及扫描电流范围有关。本系统中PCI-6014模拟输出的精度为16位，实际测量中考虑到系统的精度和应用的需要，共采集500个点即可满足应用的需要。

扫描点数为500点，因此扫描步进电流为Imax/500。为了消除随机噪声的影响，对每个扫描点的电压值和光功率各取样5000次取其均值，整支激光器的测试时间为35秒～60秒之间。

在数据处理中，先采用中点法公式f’[i]＝(f[i+1]-f[i-1])*i/2/2+(f[i+2]-f[i-2])*i/4/2得到数值微分结果，从而得出每点IdV/dI，dP/dI，d²P/dI²的值。

(1)光导数曲线d²P/dI²～I计算阈值Ith：求光导数平均值A，找出光导数首次到达1/2*A时的点P，最后在P点附近找二阶导数的最大值点，即为阈值点。

电导数曲线IdV/dI～I计算阈值Ith：计算dV/dI+I d²V/dI²，求其平均值A2，找出其在测试点数i＞50后首次到达1/2*A2时的点P2，最后在P2点附近找其最小值点，即为阈值点。

(2)初始峰F：通过最小二乘法对阈值前IdV/dI～I进行直线拟合，y＝a1*x+b1，在0-30测试点范围内，寻找“偏离(大于)拟合直线最大的点”，该点的电导数值，即初始峰。

(3)m，h，R_s1，R_s2：通过最小二乘法对阈值前和阈值后的IdV/dI～I进行直线拟合，若分别有y＝a2*x+b2，y＝a3*x+b3，则R_s1＝a2，R_s2＝a3，m＝qb2/kT，h＝a2*Ith+b2-a3*Ith-b3。

(4)H，W，Q：在d²P/dI²上找出阈值左侧的第一个零点X1，阈值右侧的第一个零点X2(零点并不真的等于零，小于d²P/dI_th ²/10的点即可视为零点)。W＝X2-X1，H＝d²P/dI_th ²，Q＝H/W。

四、具体操作

阵列测试步骤：

1、检查硬件连接无误后在微机上打开测试程序；

2、打开SM35-45电源开关，稳定后检查其电压与电流显示是否为0，如不为0通过手动旋钮将输出电压调整为0，打开光功率测试电路的供电电源；

3、将测试激光器安装在相应夹具上，连接好电源线；

4、进行阵列激光器的各项参数的测试；

5、等待测试完成后存储结果、打印测试曲线；

6、关闭激光器供电电源，更换器件重复步骤2～6继续进行测量；

7、全部测试结束后关闭激光器供电电源和光功率测试电路电源，退出测试程序。

单管测试步骤：

1、检查硬件连接无误后在微机上打开测试程序；

2、打开压控恒流源的供电电源开关，打开光功率测试电路的供电电源；

3、将测试激光器安装在相应夹具上，连接好电源线；

4、进行单管激光器的各项参数的测试；

5、等待测试完成后存储结果、打印测试曲线；

6、关闭激光器供电电源，更换器件重复步骤2～6继续进行测量；

7、全部测试结束后关闭压控恒流源的供电电源开关和光功率测试电路电源，退出测试程序。

本发明有如下特点：

1、是对高功率及阵列半导体激光器质量及可靠性检测分析的，对器件的筛选具有无损快速简便的特点，并可对影响器件质量和可靠性的因素进行分析；

2、发明的方法可用具有微机化、智能化、自动化的系统实现。不仅为可靠性检测分析提供了直观的图象，而且给出量化数据；

3、批量检测可通过多通道转换电路一次逐一完成测试工作；

4、发明的方法的实现简单易行，在对可靠性筛选的同时可迅速得到功率、效率、阈值电流、电阻等激光器的质量的主要参数。即可用于生产单位，也可用于激光器的研究或使用单位；

5、与以前的中小功率单管测试系统相比，我们的电导数测量系统基于PC-DAQ系统，加大了测试电流范围。其中图5.1中的单管我们使用的是自己设计的0～2安培程控电流源，图5.2中的阵列则使用荷兰DELTA公司生产的大功率程控直流电源SM35-45，可提供0～45安培测试电流。

6、我们进一步给出了二阶光导数曲线以及H、W、Q参数，可以直观的看出在阈值处激光器的激射情况，H大、Q大、W小、二阶光导数曲线平滑说明该激光器的有源区均匀性较好。因为对于高功率单管和阵列激光器其有源区面积较大，易出现丝状发光和模式跳变，所以这几个参数对评估高功率器件质量有着重要意义。

7、如图5.2所示，阵列的等效串联电阻为mΩ量级，为保证测试精度，在阵列测试中我们采用四线电阻法，且采用电导数方法可以对阈值前后分别给出不同的微分电阻，对于分析激光器的工作状态进而判断其可靠性有更好的效果。

附图说明

图1：基于PC-DAQ系统、大功率程控直流电源的阵列电导数测量系统框图；

图2：光电转换电路图；

图3：线性扫描电流示意图；

图4：测试过程流程图；

图5(1)：单管高功率激光器的测试结果；

图5(2)：阵列激光器的测试结果；

图6：基于PC-DAQ系统、自制电流源的单管电导数测量系统框图；

图7：自制压控恒流源原理图。

如图1、图6所示，各部件名称为：PC机1、数据采集卡2、程控电流源3、光电转换电路4、压控恒流源5、样品室6。

具体实施方式

实施例1：测试单管高功率激光器

我们测量的两支长春光机与物理研究所所制备的单管高功率808nm量子阱激光器，其额定输出光功率均为CW1W。采用本专利所述方法，测试最大电流值设定为1A、步进电流2mA，采用光导数曲线d²P/dI²～I判定阈值，测得的各曲线见图5(1a)和图5(1b)。

他们所提供的参数见表1：

表1：本专利所选用的两种单管高功率808nm量子阱激光器的参数：

LDNo.	Po(W)	Ith(A)	Io(A)	Vo(V)	Es(W/A)	Ep(％)	Rd(Ω)
								t53	1.01	0.30	1.50	1.86	0.85	36	0.14
t32	0.26	0.30	1.50	1.91	0.22	9.0	0.09

我们的导数测试给出结果见表2：

表2：采用本专利所述方法对上述两种单管高功率808nm量子阱激光器进行测试的参数

LDNo.	Ith(mA)	m	h(mV)	b	Rs1(Ω)	Rs2(Ω)	F(mV)	W	H	Q
											t53	318	1.58	40.74	0	0.32	0.31	81	38	412	11
t32	540	2.06	6.99	0.07	0.24	0.20	73	200	11	0

从长春光机与物理研究所提供的t53和t32的数据中可知，t53激光器优于t32。而我们的结果表明，t32的m值较大、h值偏小、b值偏大、W大、H小、Q小，都说明了t32的质量较差，且从我们的测试方法中可以获得m、h、b、I_th、R_s1、R_s2、F、W、H、Q等更多判定激光器质量的有效参数，与激光器质量的关系详见发明内容。

对我们所测的长春光机与物理研究所提供的百余支同种类CW1W激光器，结合其原始数据、激光器使用情况和我们的测试结果，所给出的参数范围如下：m＝1.3～2，h＞5，|b|＜0.1，Q＞3。合格的同种类器件应满足上诉参数范围。

实施例2：测试阵列高功率激光器

我们测量的两支高功率808nm量子阱阵列激光器，其额定输出光功率均为CW20W，其中一支由于使用了一段时间已发生功率劣化，采用本专利所述方法，测试最大电流值设定为8A、步进电流16mA，采用光导数曲线d²P/dI²～I判定阈值，测得的各曲线见图5(2a)图5(2b)。

他们所提供的原始的测量数据见表3：

表3：两种高功率808nm量子阱阵列激光器的参数：

LDNo.	Po(W)	Ith(A)	Io(A)	Vo(V)	Es(W/A)	Ep(％)	Rd(Ω)
								bz-38	21.3	4.0	25.0	1.65	1.01	51.6	6.6
031233-163	8.5	-	25.0	2.02	0.15	16.9	22.1

我们的测试结果见表4：

表4：采用本专利所述方法对上述高功率808nm量子阱阵列激光器进行测试的参数

LDNo.	Ith(mA)	m	h(mV)	b	Rs1(mΩ)	Rs2(mΩ)	F(mV)	W	H	Q
											bz-38	3872	1.49	37.79	0.01	7.7	5.6	129	2462	464	5
031233-163	2800	1.66	14.02	0.04	19.7	14.0	167	788	272	3

从其原测量结果中我们可以了解到阵列激光器031233-163已严重劣化，而与劣化单管相似的仍有m偏大、h值偏小、b值偏大、W大、H小、Q小，从表中的数据及电导数曲线、光二阶导数曲线可看出，031233-163的发光区离散性较大，且存在部分接触不良。

对我们所测的40余支同种类CW20W激光器，结合其原始数据、激光器使用情况和我们的测试结果进行分析，所给出的参数范围如下：m＝1.2～1.7，h＞5，|b|＜0.05，Q＞4。合格的同种类器件应满足上诉参数范围。

从上面的两个实施例，可以看出以下内容：

由所得的曲线和给出的参数，与这种器件合格产品的曲线和参数比较可对被被测器件的质量和可靠性作出判断。合格产品的参数是由对被测器件的一定量的同种合格激光器以本发明方法检测获得。对高功率GaAs量子阱808nm高功率激光器，主要数据可由m、b、h、Q值获得。

Claims (6)

1.高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其步骤如下：

①  测出被检测的高功率半导体激光器或阵列激光器的V-1和P-I曲线，经计算机处理得到电导数曲线IdV/dI～I和光导数曲线dP/dI～I、d²P/dI²～I，其中I是激光器的驱动电流，V是激光器的驱动电压，P是激光器输出的光功率；

②  从光导数曲线d²P/dI²～I或电导数曲线IdV/dI～I得到被测器件的阈值电流Ith，对IdV/dI～I曲线在阈值电流Ith前后两部分曲线进行直线拟和，得到两个斜率和截距，阈值前部分的截距为mkT/q，斜率为Rs1，阈值后部分的截距为b，称为b参数，斜率为Rs2，m为结特征参量，k为波尔兹曼常数，T为被测器件的绝对温度，q为电子电荷，Rs1、Rs2为阈值前后的串联电阻，由阈值电流Ith附近曲线的极大值与极小值的差值得到下沉高度h；

③  由二阶光导数曲线阈值处的峰高H，峰宽W，峰高峰宽之比Q给出激光器激射时的光特征；

④  将所得的各参数与同种结构的器件参数的正常值相比较，从而判定所检测的高功率半导体激光器或阵列激光器的质量和可靠性。

2.如权利要求1所述高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其特征在于：器件参数的正常值是由常规检测方法获得的。

3.如权利要求2所述高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其特征在于：器件参数的正常值是由电老化方法获得的。

4.如权利要求2所述高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其特征在于：器件参数的正常值是采用本专利所述方法对已知的正常工作状态的一定数量的激光器进行测量，统计确定的各项正常值。

5.如权利要求1所述高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其特征在于：高功率半导体激光器各曲线的测量是由导数测量系统完成的，该系统由PC机(1)、数据采集卡(2)、高功率程控电源(3)、光电转换电路(4)组成；PC机(1)控制高功率程控电源(3)，为半导体激光器提供步进扫描电流I，激光器的端电压V和由光电转换电路(4)测量得到的激光器光功率P分别由数据采集卡(2)的模拟输入端采集回PC机，于是得到数字化的V～I、P～I曲线，在PC机中V～I、P～I曲线进一步通过软件数值微分处理，获得IdV/dI～I、dP/dI～I、d²P/dI²～I曲线以及各相关参数。

6.如权利要求1所述高功率半导体激光器及阵列激光器质量和可靠性检测和筛选的方法，其特征在于：高功率阵列激光器各曲线的测量是由导数测量系统完成的，该系统由PC机(1)、数据采集卡(2)、压控恒流源(5)、光电转换电路(4)组成；PC机(1)通过数据采集卡(2)控制压控恒流源(5)，为阵列激光器提供步进扫描电流I，激光器的端电压V和由光电转换电路(4)测量得到的激光器光功率P分别由数据采集卡(2)的模拟输入端采集回PC机，于是得到数字化的V～I、P～I曲线，在PC机中V～I、P～I曲线进一步通过软件数值微分处理，获得IdV/dI～I、dP/dI～I、d²P/dI²～I曲线以及各相关参数。

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