CN102109571B - 一种半导体激光器特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器特性测试系统，包括半导体激光器驱动器、三维平行导轨、激光器温度控制模块、LIV和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光斑测试模块、近场非线性测试模块、远场测试模块、空间光谱测试模块、中央软件处理模块。同时可根据需要选择工作模块。本发明用于对半导体激光器，尤其是高功率半导体激光器的高精度和自动化测试，降低半导体激光器的检测和生产制造成本。

Description

一种半导体激光器特性测试系统

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及半导体激光器的特性测试，尤其是一种半导体激光器特性测试系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的领域，可广泛应用于通信、计算机(主要是数据存储和输入输出设备)、影视、制造业、航天、航空、材料处理、医疗、娱乐、科研、安全防护、军事、反恐、工艺品、显示和印刷等行业。对半导体激光器的性能参数进行测试和表征是深刻理解激光器特性的关键，同时也是判断激光器好坏的重要依据；只有这样才能正确的使用激光器并延长其寿命。因此，研究并开发测试功能齐全的半导体激光器特性测试系统具有非常重要的现实意义。

半导体激光器的性能参数主要包括LIV(功率-电流-电压)、光谱、波长、热阻、电光转换效率、斜坡效率、串联电阻、半高全宽(FWHM)、90％能量宽度(FW90％E)、近场光斑、近场非线性(“smile”效应)、远场、偏振、和空间光谱等，对上述参数的测试和表征可以评判激光器特性的高低，其中LIV和光谱是半导体激光器的基本测试。

目前国际上发达国家的一些仪器制造公司，如美国的Newport公司、Ilxlightwave公司、Keithley公司以及加拿大的Telops公司等，已经研发了半导体激光器性能参数测试仪器，但这些测试仪器的测试功能不够全面，只能对半导体激光器的部分性能进行测试，如LIV、光谱、近场和远场。国内虽有山东大学(魏书军，“高功率半导体激光器阵列参数测量仪研制”，山东大学硕士学位论文，2005.4)、中科院半导体所、吉林大学(夏涛，“快速LD综合参数测量系统”，吉林大学硕士学位论文，2006.4)、大连海事大学(万军华，“大功率半导体激光器阵列光强分布特性测试系统研究”，大连海事大学硕士学位论文，2008.5)等几家单位研制了半导体激光器测试仪器，但仅限于半导体激光器的LIV、光谱和远场测试。

目前，现有的半导体激光器性能参数测试仪器主要存在以下问题：

(1)功能单一：国外的半导体激光器测试系统，还依然不具备偏振测试、近场非线性测试和空间光谱测试功能。而国内半导体激光器测试系统则只具备LIV测试和光谱测试功能。

(2)测试功率较低：大多数的半导体激光器性能参数测试系统主要针对100W之内的半导体激光器进行测试，最大测试功率也只停留在千瓦级水平。

(3)LIV测试模式单一：LIV测试主要分为CW(连续波输出)模式测试和QCW(准连续波输出)模式测试，对于大多数的测试仪器而言，不能同时实现两种测试功能。

(4)所测半导体激光器的种类少：半导体激光器种类繁多，目前的大多数测试仪器只能够对某一种或几种特定形式半导体激光器进行测试，而对于其他形式的半导体激光器则无法测试，因此所测半导体激光器的种类少。

(5)自动化程度和精度低：目前，国外的半导体激光器测试仪器已经实现了自动化和较高精度的测试，但在国内的测试仪器仍未完全实现自动化测试，而且精度有限。

(6)成本高：国外的半导体激光器测试仪器虽然能够实现自动化和较高精度的测试，但其成本很高以致售价昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能够全面表征半导体激光器特性的测试系统，该系统用于对半导体激光器，尤其是高功率半导体激光器的高精度和自动化测试，能够降低半导体激光器的检测和生产制造成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种半导体激光器特性测试系统，包括一光学平台和计算机系统，其特征在于：所述光学平台上固定设有一导轨，所述导轨通过滑块固定设有激光器固定座，所述激光器固定座上设有被测激光器，所述激光器固定座上还设有控制被测激光器温度的激光器温度控制模块，所述导轨的旁侧排列有分别与所述计算机系统相连的LIV和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光斑测试模块、近场非线性测试模块、远场测试模块以及空间光谱测试模块的一个或者多个；所述激光器温度控制模块通过半导体激光器驱动器与计算机系统连接。

上述激光器温度控制模块包括温度控制器、制冷器以及设置在被测激光器上的温度传感器，所述温度传感器和制冷器分别与温度控制器连接，所述制冷器设置在被测激光器上用以降低被测激光器温度。

上述的LIV和光谱测试模块包括功率测试装置和光谱测试装置；所述功率测试装置和光谱测试装置与计算机连接；所述功率测试装置探测被测激光器的光功率以及被测激光器的电压随输入电流的变化；所述光谱测试装置收集被测激光器发出的光，对被测激光器的光谱特性进行表征。

上述的偏振测试模块包括第一光电探测器、起偏器和衰减片；被测激光器与所述衰减片、起偏器和光电探测器依次置于同一直线上，被测激光器发出的光经衰减片衰减后到达起偏器，起偏器会在光电探测器上呈现不同的探测值，光电探测器通过分析探测到的光强大小，得到光的偏振态和偏振度。

上述的近场光斑测试模块包括光学准直系统、光学镜筒和CCD成像系统；待测激光器发出的光通过所述光学准直系统准直后通过光学镜筒在CCD成像系统上成像，CCD成像系统对得到的图片进行处理判断近场光强的强弱。

上述的近场非线性测试模块包括柱面微透镜、透镜组以及CCD相机；被测激光器发出的光依次通过柱面微透镜和透镜组后被准直成平行光，所述平行光被放大后呈现在CCD相机上。

上述的远场测试模块包括可调固定旋转杆、第二光电探测器和步进电机；所述步进电机与固定旋转杆的前端相连，通过步进电机带动固定旋转杆在垂直和水平方向转动，所述固定旋转杆的末端与光电探测器相接，在步进电机工作时光电探测器在空间位置移动，探测空间的光强。

上述的空间光谱测试模块包括准直系统、光束放大系统和光谱测试系统；被测激光器的每个发光点发出的光通过准直系统和光速放大系统，所述光谱测试装置测出每个发光点的光谱，然后将波长信息与发光点光斑一起表示在同一张图片上。

进一步，上述空间光谱测试模块还包括有狭缝，所述狭缝设置在光束放大装置的出射端。

上述计算机系统包括计算机，所述计算机上安装有数据处理软件，所述计算机还连接有数据采集卡和GPIB连接线，所述光谱测试系统、第二光电探测器、光束分析仪和第一光电探测器的输出端分别连接到数据采集卡上，所述CCD相机、功率测试装置和光谱测试装置通过USB连接线与计算机相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的半导体激光器特性测试系统通过模块化的设计，可实现对激光器的各种特性参数的测量，例如光电特性、伏安特性、光谱特性、近场特性、远场特性、热特性、偏振特性和空间光谱特性等。此外，在半导体激光器测试过程中，可以通过精密控制激光器热沉温度和冷却水流量，实现对待测激光器光谱参数及热阻参数的精确测定。本发明的测试系统设计了针对不同系列不同封装形式的激光器安装和测试夹具，可实现对各种半导体激光器参数的自动化连续测量，方便大规模检测应用。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明较佳实施例中测试系统的结构布置俯视图；

图3为半导体激光器LIV测试和光谱测试软件控制界面；

图4为半导体激光器测试报告。

其中：1为光学平台；2为二维平行导轨；3为制冷器；4为被测激光器；5为半导体激光器驱动器；6为计算机；7为温度控制器；8为二维平移导轨控制器；9为功率测试装置；10.1为第一光谱测试装置；10.2为第二光谱测试装置；11为衰减片；12为起偏器；13为第一光电探测器；14.1为第一光学准直系统；14.2为第二光学准直系统；15为光学镜筒；16.1为第一CCD相机；16.2为第二CCD相机；17为分光片；18为光束分析仪；19为第二光电探测器；20为可调固定旋转杆；21为步进电机；22为狭缝；23为光束放大装置；24为产品信息录入区；25为LIV测试控制区；26为光谱特性测试控制区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明的半导体激光器特性测试系统，包括一光学平台1和计算机系统，其中光学平台1上固定设有二维平移导轨2，二维平移导轨2通过滑块固定设有激光器固定座，激光器固定座上设有被测激光器4，激光器固定座上还设有控制被测激光器4温度的激光器温度控制模块，二维平移导轨2的旁侧排列有分别与计算机系统相连的LIV和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光斑测试模块、近场非线性测试模块、远场测试模块以及空间光谱测试模块。被测激光器4还通过半导体激光器驱动器5与计算机系统连接。激光器温度控制模块包括有固定在光学平台1上的温度控制器7。二维平移导轨2上的滑块的运动时通过电动的方式，因此，配合其电动部分还设有二维平移导轨控制器8

以下详细介绍组成本发明各模块的结构及其工作原理：

(1)半导体激光器驱动器5：为被测激光器4提供电流，驱动被测激光器发光。

(2)二维平移导轨2：在导轨上端通过滑块上的夹具固定被测激光器4，带动被测激光器4在各模块间移动。

(3)激光器温度控制模块：包括温度控制器、制冷器3以及设置在被测激光器4上的温度传感器，温度传感器和制冷器3分别与温度控制器连接，所述制冷器3设置在被测激光器4上用以降低被测激光器4温度。该模块主要实现对传导散热型半导体激光器(被测激光器)的温度控制和监测，其与固定激光器的夹具相连接，用于设定被测激光器的工作温度，监测并调节激光器的温度变化，使激光器的工作温度保持恒定。

(4)LIV和光谱测试模块：主要包括功率测试装置9和第一光谱测试装置10.1。功率测试装置9和第一光谱测试装置10.1与计算机6连接(可通过USB线或者其他通讯线)。功率测试装置9探测被测激光器4的光功率以及被测激光器4的电压随输入电流的变化。第一光谱测试装置10.1收集被测激光器4发出的光，对被测激光器4的光谱特性进行表征。(见图4所示)。测试被测激光器4的功率时可以为直接探测(功率计直接探测)，也可以为间接探测(使用积分球与光电探测器组合等方法测试功率)。测试光谱时可以取部分光进行测试(通过积分球或者狭缝的方式收集部分光进行测试)，也可以为对全部光进行测试。

(5)偏振测试模块：主要包括第一光电探测器13、起偏器12、衰减片11，被测激光器4与所述衰减片11、起偏器12和第一光电探测器13依次置于同一直线上。其工作原理是：被测激光器4发出的光经衰减片11衰减后到达起偏器12，旋转起偏器12会在第一光电探测器13上呈现不同的探测值，第一光电探测器13通过分析探测到的光强大小，得到光的偏振态和偏振度。偏振测试时可以使用功率计(或成像系统)取代光电探测器；在光电探测器或功率计未能达到饱和之前可以不使用衰减片；起偏器可以选择偏振片或者具有偏振作用的棱镜，如尼科尔棱镜、铌酸锂晶体等，也可采用分光方式进行测试。

(6)近场光斑测试模块：主要包括第一光学准直系统14.1、光学镜筒15和第一CCD相机16.1。被测激光器4发出的光通过所述第一光学准直系统14.1准直后通过光学镜筒15使半导体激光器巴条或叠阵中各个发光点的光在第一CCD相机16.1上成像，利用光路可逆性呈现每个发光点的发光强度。近场光强测试可以使用成像或拍照方式对得到的图片进行处理判断近场光强的强弱；亦可采用狭小细孔后接功率计或者光电探测器，移动狭小细孔的位置进行探测，通过测得的功率判断近场光强的强弱。

(7)近场非线性测试模块：包括透镜系统和第二CCD相机16.2，透镜系统由柱面微透镜和一系列的透镜组成。通过柱面微透镜和一系列透镜将半导体激光器发出的光准直成平行光，经过适当放大后，最终将各个发光点的排列情况呈现在第二CCD相机16.2上，并通过软件分析得到smile的具体数值。

(8)远场测试模块：主要包括方向可调固定旋转杆20、第二光电探测器19和步进电机21。步进电机21与可调固定旋转杆20的前端相连，通过步进电机21带动可调固定旋转杆20在垂直和水平方向转动，可调固定旋转杆20的末端与第二光电探测器19相接，在步进电机21工作时第二光电探测器19在空间位置移动，探测空间的光强。

(9)空间光谱测试模块：主要包括第二光学准直系统14.2、光束放大装置23、狭缝22和第二光谱测试装置10.2。被测激光器4的每个发光点发出的光通过第二光学准直系统14.2和光束放大装置23后，再使半导体激光器(即被测激光器)巴条的每个发光点的光透过狭缝22，再用第二光谱测试装置10.2测出每个发光点的光谱，然后将波长信息与发光点光斑一起表示在同一张图片上。也可采用光束放大系统、光纤跳线和光谱测试装置来实现每个发光点光谱的测试。

(10)中央软件处理模块：即本发明所述的计算机系统，主要包括计算机6、数据处理软件、数据采集卡、GPIB采集卡以及GPIB连接线等。第二光谱测试装置10.2、第二光电探测器19和第一光电探测器13的输出端分别连接到数据采集卡上，所述第一、二CCD相机16.1、16.2，功率测试装置9和第一、二光谱测试装置10.1、10.2与计算机6相连接(可通过USB连接线或其他可用通讯线路)。通过数据处理软件计算和分析最终实现计算机硬件的自动化集成和控制。

图2是本发明给出一种较佳实施例，其展示了本发明的各个模块在光学平台1上的合理分布状态。从左到右依次为LIV测试和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光斑测试模块、近场非线性和能量测试模块、远场测试模块、空间光谱测试模块。

图3为与上述硬件相配合的数据处理软件的界面图，其中包括产品信息录入区24、LIV测试控制区25和光谱特性测试控制区26。产品信息录入区24所要录入的信息有老化次数、部件号、管号、操作员。LIV测试控制区25通过设定额定功率和电流步增，单击电特性测试按钮，将测试曲线和测试结果呈现在该区域，所呈现的测试曲线为功率-电流曲线、电压-电流曲线、转换效率-电流曲线；所呈现的测试结果有：额定电流、阈值电流、斜坡效率、额定转换效率、最大转换效率、额定电压、串联电阻。光谱特性测试控制区26通过设定波长范围，单击光谱扫描按钮，将在该区域上呈现出光谱测试曲线和光谱测试结果，其中呈现的光谱曲线为激光器光谱的表征；所呈现的光谱测试结果主要有峰值波长、中心波长、半高宽度和90％能量宽度。

图4是本发明生成的半导体激光器测试报告，主要包括LIV特性曲线及其测试结果和光谱测试曲线及其测试结果。

半导体激光器测试流程为：首先将被测激光器4固定到带有TEC控温的平台上，平台下端固定在滑块上，滑块与二维平行导轨2相接，同时打开温度控制器7精确控制温度，通过三维平移导轨控制器8控制被测激光器4依次经过LIV和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光强测试模块、近场非线性和能量测试模块、远场测试模块、空间光谱测试模块进行各个参数的测试。

当移动被测激光器4经过LIV和光谱测试模块时，使被测激光器4的光照射到功率测试装置9和第一光谱测试装置10.1，探测被测激光器4的功率和光谱。

被测激光器4移动到达偏振测试模块时，首先通过衰减片11进行衰减之后，再通过起偏器12最后将光达到第一光电探测器13上进行光功率探测，在探测过程中通过旋转起偏器12探测到光的最大和最小值，计算得到光的偏振度。

档被测激光器4移动至近场光斑测试模块时，光首先通过第一光学准直系统14.1对光束进行准直，通过光学镜筒15后到达第一CCD相机16.1成像。在此过程中通过调整光学镜筒15中的光阑使第一CCD相机16.1呈现清晰的图像。

当被测激光器4移动至近场非线性测试模块时，首先通过第二光学准直系统14.2将光准直成平行光再通过分光片17分成两束光，一束光直接打到光束分析仪18，对光强进行测试；另一束光则通过光学镜筒15后在第二CCD相机1.26呈现近场非线性。

当被测激光器4移动至远场测试模块时，通过步进电机21控制可调固定旋转杆20上的第二光电探测器19水平和垂直方向运动，可探测被测激光器4各点在空间上的光强分布。

当被测激光器4移动至空间光谱测试模块时，首先通过第二光学准直系统14.2实现光的平行输出，再通过光束放大装置23将各个发光点发出的光进行区分，依次通过狭缝22，狭缝22后端通过第二光谱测试装置10.2依次探测各个发光点的光谱。

本发明的测试系统主要具备以下功能：

(1)LIV测试功能：能够实现CW和QCW测试功能，全面表征半导体激光器的电压-电流曲线、功率-电流曲线、电光转换效率-电流曲线，并自动计算出阈值电流、斜坡效率和电光转换效率。在CW条件下的测试精度为0.01W，最大可测功率达到数千瓦；在QCW条件下最大可测功率达到数万瓦，测试精度为0.01W。

(2)光谱测试功能：能够实现不同功率下的光谱测试，能够自动监测到峰值波长、中心波长、半高全宽、90％能量宽度，并能够根据LIV测试数据自动计算出激光器的热阻。能够测试的波长范围为400nm～1800nm，精度达到0.01nm。

(3)偏振测试功能：能够表征半导体激光器的偏振态和偏振方向，偏振测试精度达到1％。

(4)近场光斑测试功能：主要针对巴条(Bar)和叠阵(多巴条)半导体激光器测试，在超过阈值以上的电流驱动下可监测激光器各个发光点是否发光以及发光强度的相对大小。

(5)近场非线性测试功能：主要监测巴条(Bar)半导体激光器的“smile”现象，并给出“smile”的具体数值，为光束整形和光纤耦合提供依据。

(6)远场测试功能：监测距半导体激光器发光面一定距离的空间面的光强分布，主要是在空间垂直方向和水平方向的分布情况，并定量给出发散角和光强分布。

(7)空间光谱测试功能：可对巴条(Bar)和叠阵半导体激光器各个发光点的光谱在空间尺度上进行表征。

(8)软件控制功能(软件界面见图3所示)：通过软件控制激光器性能参数测试系统，自动采集测试数据，并完成对所采集数据的分析，描绘出测试曲线，以及自动计算出测试的参数，并输出和打印测试报告。(见图4所示)

Claims (9)

1.一种半导体激光器特性测试系统，包括一光学平台（1）和计算机系统，其特征在于：所述光学平台（1）上固定设有二维平移导轨（2），所述二维平移导轨（2）通过滑块固定设有激光器固定座，所述激光器固定座上设有被测激光器（4），所述激光器固定座上还设有控制被测激光器（4）温度的激光器温度控制模块，所述二维平移导轨（2）的旁侧排列有分别与所述计算机系统相连的LIV和光谱测试模块、偏振测试模块、近场光斑测试模块、近场非线性测试模块、远场测试模块以及空间光谱测试模块的一个或者多个；所述被测激光器（4）通过半导体激光器驱动器（5）与计算机系统连接；

所述的近场非线性测试模块包括透镜系统和第CCD相机（16.2）；被测激光器（4）发出的光依次通过透镜系统被准直成平行光，该平行光被放大后呈现在第CCD相机（16.2）上。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述激光器温度控制模块包括温度控制器、制冷器（3）以及设置在被测激光器（4）上的温度传感器，所述温度传感器和制冷器（3）分别与温度控制器连接，所述制冷器（3）设置在被测激光器（4）上用以降低被测激光器（4）温度。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述的LIV和光谱测试模块包括功率测试装置（9）和第一光谱测试装置（10.1）；所述功率测试装置（9）和第一光谱测试装置（10.1）与计算机连接；所述功率测试装置（9）探测被测激光器（4）的光功率以及被测激光器（4）的电压随输入电流的变化；所述第一光谱测试装置（10.1）收集被测激光器（4）发出的光，对被测激光器（4）的光谱特性进行表征。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述的偏振测试模块包括第一光电探测器（13）、起偏器（12）和衰减片（11）；被测激光器（4）与所述衰减片（11）、起偏器（12）和第一光电探测器（13）依次置于同一直线上，被测激光器（4）发出的光经衰减片（11）衰减后到达起偏器（12），起偏器（12）会在第一光电探测器（13）上呈现不同的探测值，第一光电探测器（13）通过分析探测到的光强大小，得到光的偏振态和偏振度。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述的近场光斑测试模块包括第一光学准直系统（14.1）、光学镜筒（15）和第一CCD相机（16.1）；被测激光器（4）发出的光通过所述第一光学准直系统（14.1）准直后通过光学镜筒（15）在第一CCD相机（16.1）上成像，第一CCD相机（16.1）将得到的图片进行处理判断近场光强的强弱。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述的远场测试模块包括可调固定旋转杆（20）、第二光电探测器（19）和步进电机（21）；所述步进电机（21）与可调固定旋转杆（20）的前端相连，通过步进电机（21）带动可调固定旋转杆（20）在垂直和水平方向转动，所述可调固定旋转杆（20）的末端与第二光电探测器（19）相接，在步进电机（21）工作时第二光电探测器（19）在空间位置移动，探测空间的光强。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述的空间光谱测试模块包括第二光学准直系统（14.2）、光束放大装置（23）、和第二光谱测试装置（10.2）；被测激光器（4）的每个发光点发出的光通过第二光学准直系统（14.2）和光束放大装置（23）后，所述第二光谱测试装置（10.2）测出每个发光点的光谱，然后将波长信息与发光点光斑一起表示在同一张图片上。

8.根据权利要求8所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述空间光谱测试模块还包括有狭缝（22），所述狭缝（22）设置在光束放大装置（23）的出射端。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的半导体激光器特性测试系统，其特征在于：所述计算机系统包括计算机（6），所述计算机（6）上安装有数据处理软件，所述计算机（6）还连接有数据采集卡、GPIB采集卡以及GPIB连接线，所述第二光谱测试装置（10.2）、第二光电探测器（19）和第一光电探测器（13）的输出端分别连接到数据采集卡上，所述第一、二CCD相机（16.1、16.2）、功率测试装置（9）和第一、二光谱测试装置（10.1、10.2）与计算机（6）相连接。

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