CN102353517A - 半导体激光器的温度分级筛选的平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器的温度分级筛选的平台及方法，所述平台包括微处理器、可编程电流源芯片、温箱和位于温箱内半导体激光器，所述半导体激光器自带光电二极管，且光电二极管阳极和半导体激光器负极间还串联一接地的电阻，其中微处理器通过总线与可编程电流源芯片相连，光电二极管的阴、阳级分别接可编程电流源芯片的I/O口和微处理器的模数转换器。所述方法为利用光电二极管和半导体激光器的关系，通过测试光电二极管的参数，从而达到筛选半导体激光器的目的。本发明能在形成光模块前大批量进行分级筛选、筛选方法简单、成本低廉，无需大量专业的光学仪器及电子测试仪器支持，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种筛选平台及其筛选方法，尤其涉及一种半导体激光器的温度分级筛选的平台及方法。
背景技术
在光进铜退的大政策引导下，光模块需求越来越大，但是个别特殊应用需要指定工业级温度（环境温度在40℃~85℃）的光模块需求。要求模块厂商能提供这种温度级的模块，而模块要满足这个需求，就要对光器件进行筛选，现有的筛选方式，主要为以下两种：
1.将半导体激光器封装成光器件，然后组装成光模块，进行常温调试，然后在对每只模块进行高、低温筛选，尤其是高温，由于高温环境下，半导体激光器的性能急剧下降，所以为了保证能光模块正常工作，高温筛选是工业级光模块必须进行的，但由于产品已组装成光模块，若其不能通过筛选，且无其它特殊需求，就只有报废或者降级处理，非常浪费。
2.芯片厂商根据需求，对半导体激光器进行筛选，这些厂商的筛选，需要专业的光学仪器及电子测试仪器支持，筛选成本很高，完成筛选之后，所用到的成本将会转嫁到下游的光模块厂商，造成了产业链的成本居高不下。
一般的半导体激光器为了保证正常应用会在它附近固定一个光电二极管进行功率的监控，这类光电二极管的高低温光响应度变化不大，其在半导体激光器正常工作范围成线性响应，用于光模块的光功率闭环控制使用及半导体激光器发光功率的监控，能有效的反应半导体激光器发光功率的情况，但是其固定位置的差异，导致每只光电二极管的响应度有差异。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能在形成光模块前大批量进行分级筛选、筛选方法简单、成本低廉，无需大量专业的光学仪器及电子测试仪器支持半导体激光器的温度分级筛选的平台及方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种半导体激光器的温度分级筛选的平台，包括微处理器、可编程电流源芯片、温箱和位于温箱内半导体激光器，所述半导体激光器自带光电二极管，且光电二极管阳极和半导体激光器负极间还串联一接地的电阻，其中微处理器通过总线与可编程电流源芯片相连，光电二极管的阴、阳级分别接可编程电流源芯片的I/O口和微处理器的模数转换器。
作为优选：所述半导体激光器为多个，且均通过多路模拟开关与微处理器和可编程电流源芯片连通，所述多路模拟开关受微处理器控制在多个半导体激光器中进行切换。
一种半导体激光器的温度分级筛选的方法，包括以下步骤：
（1）选择待测半导体激光器，定义其光电二极管的响应光电流；
（2）设置温箱温度为25℃，测试该条件下光电二极管的阈值电流和响应光电流，并计算数值M，所述M为响应光电流与加载电流的比值；
（3）设置温箱温度为筛选温度，测试该条件下光电二极管其阈值电流和响应光电流，并计算数值M；
（4）对比步骤（2）（3）中的阈值电流和M，计算半导体激光器的发光效率下降率；
（5）预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限，对比测试的光电二极管，筛选出不符合条件的半导体激光器。
作为优选：在步骤（1）前还包括如下步骤；
a.调整半导体激光器中电阻的阻值，使所有待测导体激光器中光电二极管的响应度为一固定值；
作为优选：所述步骤（1）具体为，当温箱内的半导体激光器为多个时，微处理器通过控制多路模拟开关选择其中一个半导体激光器。
作为优选：所述步骤（2）具体为，
a.设置温箱温度为25℃，
b.微处理器控制可编程电流源芯片输出步进的加载电流；
c.测试阈值电流，记录下每个加载电流对应的响应光电流值并存储；
d.计算数值M；
作为优选：所述步骤（5）具体为，
a.预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限；
b.比较阈值电流，将步骤（3）中的阈值电流与预设的阈值电流上限比较，超过则筛除，否则，至步骤c；
c.比较发光效率下降率，将步骤（5）中的发光效率下降率与预设的发光效率下降率下限比较，低于则筛除。
其中，25℃为工业上定义的常温，筛选温度为用户自定义的温度，假设需筛选能在等于或高于95℃高温环境中正常工作的半导体激光器，95℃即为筛选温度，同理，若需筛选在等于或高于50℃高温环境中正常工作的半导体激光器，50℃即为筛选温度。
选定了筛选温度，自然会设定该温度条件下的筛选条件，在此，筛选条件涉及两个数值：1、与半导体激光器对应的光电二极管的阈值电流上限，2、半导体激光器的发光效率下降率下限。这是由于光电二极管存在以下特性：在一定的温度范围内，温度越高、阈值电流越高、其对应的半导体激光器的发光效率越低，但阈值电流太高或发光效率下降率太低，都表示其对应的半导体激光器不合格，故设定阈值电流上限和发光效率下降率下限，就可以判断其对应的半导体激光器是否合格。
预设阈值电流上限和发光效率下降率下限的方法如下：对一小批半导体激光器进行测试，获得该批次中每个半导体激光器对应的阈值电流和发光效率下降率，再将这批半导体激光器组装成光模块，采用现有技术手段进行筛选测试，筛分出合格的光模块，即筛分出合格的半导体激光器，查找其对应的的阈值电流和发光效率下降率，便可获取参考的阈值电流上限和发光效率下降率下限。
这样，只需要将一小批半导体激光器组装成光器件，依据现有技术筛选，便能获得参考值，用以判断其它大量的半导体激光器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.该平台结构简单，成本低廉。
2.该方法利用光电二极管与半导体激光器的线性关系，在光器件来料之后，可以通过该发明技术的设备，进行大批次的高温筛选，对器件进行温度级别的分档处理，同时无需传统方式，需要光测试仪器及光路耦合的设备支持，降低了测试门槛及难度。可以进行产业化推广，也带动了特殊应用场合的光纤通信的应用。
3.对于分档的光器件，厂商可以通过不同的需求，进行生产计划安排。到模块级别的生产由于光器件级别做了很好的筛选，无需在进行传统的模块级别筛选，增加了单位时间的产能，节省了生产成本。
该发明同时可以用于普通高温的半导体激光器应用的筛选，应用要求的温度下进行测试，通过实验及小批量生产，收集足够的数据来进行筛选温度参照值的判定。
附图说明
图1为本发明平台实施例1的结构框图。
图2为本发明平台实施例2的结构框图。
图3为半导体激光器的功率和加载电流的关系图。
图4为光电二极管响应光电流与半导体激光器发光功率的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
参见图1，一种半导体激光器的温度分级筛选的平台，包括微处理器、可编程电流源芯片、温箱和位于温箱内半导体激光器LD，所述半导体激光器LD自带光电二极管PD，且光电二极管PD阳极和半导体激光器LD负极间还串联一接地的电阻R，其中微处理器通过总线与可编程电流源芯片相连，光电二极管PD的阴、阳级分别接可编程电流源芯片的I/O口和微处理器的模数转换器。
本实施例中，微处理器选用ADUC7020，可编程的电流源芯片选用ADN8810芯片，多路模拟开关选用CD74HC4051，环境温箱为CTP704FA型高低温试验箱。
一种半导体激光器的温度分级筛选的方法，包括以下步骤：
（1）选择待测半导体激光器，定义其光电二极管的响应光电流；具体为响应光电流=阈值电流+20mA直流电，其中，响应光电流的符号为Io，阈值电流的符号为Ith，故Io=Ith+20mA；
（2）设置温箱温度为25℃，测试该条件下光电二极管的阈值电流和响应光电流，并计算数值M，所述M为响应光电流Io与加载电流I的比值，此时，为了便于计算和区分，我们假设该温度下的M值为Ma，具体为：
a.设置温箱温度为25℃，
b.微处理器控制可编程电流源芯片输出步进的加载电流，0.5mA一个步进，配置电流输出范围6mA~36mA；
c.测试阈值电流Ith，通过软件记录下每个加载电流对应的响应光电流值并存储；
d.计算数值Ma；
其中，阈值电流Ith和M值的测试及计算方法如下：
图3反映了现有的半导体激光器的功率P和加载电流I的关系图，参见图3，可以得到以下两个公式：
P= SE*(I–Ith) 公式1
SE=ΔP/ΔI 公式2
SE为半导体激光器的发光效率，单位mw/mA；
再参见图4，可得出光电二极管响应电流Io与半导体激光器发光功率P的关系如下：
P=g*Io 公式3
g为光电二极管的响应度，这是因为光电二极管的高低温光响应度变化不大，其在半导体激光器正常工作范围成线性响应，故每只光电二极管的响应度为固定值，但由于其固定位置的差异，导致每只光电二极管的响应度有差异。
通过公式1，结合测试两个加载电流I1、I2对应的发光功率P1、P2可以推出阈值电流Ith计算公式4和发光效率SE计算公式5：
Ith=（I1*P2-I2*P1）/(P2-P1) 公式4
SE=(P2-P1)/(I2-I1) 公式5
由于本发明不使用光强测试设备，利用两个加载电流I1、I2条件下，测得光电二极管两个和发射光功率P成一定比例g的响应光电流Io1、Io2，然后根据公式3，公式4，可以推出阈值电流Ith的计算公式5
Ith=（I1 *Io2-I2*Io1）/(Io2-Io1) 公式6
而Ma为响应光电流Io与加载电流I的比值，故
Ma=ΔIo/ΔI=(Io2-Io1)/(I2-I1) 公式7
（3）设置温箱温度为95℃，测试该条件下光电二极管其阈值电流和响应光电流，并计算数值M，此时，为了便于计算和区分，我们假设该温度下的M值为Mb；95℃为高于最高工业级温度10℃的值，这时需要配置加载电流I2输出范围20mA~80mA，测试和计算方法参见步骤（2）；
（4）对比步骤（2）（3）中的阈值电流和M值，计算半导体激光器的发光效率下降率；
假设25℃测试的SE1为ΔP1/ΔIo1，而95℃测试的SE2为ΔP2/ΔIo2，再结合公式5，可得半导体激光器的发光效率下降率的公式为：
1-SE2/SE1=1-Mb/Ma 公式8
（5）预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限，对比测试的光电二极管，筛选出不符合条件的半导体激光器，本实施例的筛选温度为95℃，故具体为：
a.预设95℃下的阈值电流上限和发光效率下降率下限；
b.比较阈值电流，将步骤（3）中的阈值电流Ith2与预设的阈值电流上限比较，超过则筛除，否则，至步骤c；
c.比较发光效率下降率，将步骤（5）中的发光效率下降率与预设的发光效率下降率下限比较，低于则筛除。
预设95℃下的阈值电流上限和发光效率下降率下限，是通过以下方法实现的：
首选，挑选一小批半导体激光器，获取其对应的阈值电流和发光效率下降率，在此可采用本发明方法步骤（1）至（4）中所采用的方法，当然也可以采用其它方法，只要得到这两个数值即可。
其次，将这批半导体激光器组装成光模块，采用现有技术手段进行筛选测试，筛分出合格的光模块，即筛分出合格的半导体激光器。
最后，查找这批合格的半导体激光器对应的的阈值电流和发光效率下降率，便可获取参考的阈值电流上限和发光效率下降率下限。
该发明不只可以进行工业级温度的分级筛选，同时可以进行扩展温度或者扩展温度的分级筛选。不同筛选温度，所对应的阈值电流上限和发光效率下降率下限是不同的，需要每次先进行一次小规模试验，获取这两个数值。
实施例2：
参见图2，一种半导体激光器的温度分级筛选的平台，包括微处理器、可编程电流源芯片、温箱和位于温箱内的数个半导体激光器LD，所述半导体激光器LD自带光电二极管PD，且光电二极管PD阳极和半导体激光器LD负极间还串联一接地的电阻，其中微处理器通过总线与可编程电流源芯片相连，光电二极管PD的阴、阳级分别接可编程电流源芯片的I/O口和微处理器的模数转换器，但由于半导体激光器LD为多个，要每次择一的对其进行单独测试，则在光电二极管PD连接可编程电流源和微处理器的通路上扩展设置多路模拟开关，使半导体激光器LD均通过多路模拟开关与微处理器和可编程电流源芯片连通，而多路模拟开关受微处理器控制在多个半导体激光器LD中进行切换。
在此，以温箱内的半导体激光器为两个举例，参见图3，一个半导体激光器带有电阻R1，它的光电二极管正负极分别连接在两个多路模拟开关的一个引脚上，则两个引脚就形成了一个模拟开关1，同理，另一个光电二极管正负极分别连接两个多路模拟开关的另外两个引脚，形成了一个模拟开关2。若半导体激光器多过2个时，以此扩展即可。
一种半导体激光器的温度分级筛选的方法，包括以下步骤：
（1）调整半导体激光器中电阻的阻值，使所有待测半导体激光器中光电二极管的响应度为一固定值，假设该固定值为g，此步骤与实施例1不同，实施例1中的响应度是指每个光电二极管的响应度，由于固定位置有所不同，而此时，通过加电阻，使所有待测的光电二极管响应度都为g，更便于大规模检测和工业应用；
（2）微处理器通过控制多路模拟开关选择其中一个半导体激光器作为待测半导体激光器，定义其光电二极管的响应光电流；
（3）设置温箱温度为25℃，测试该条件下光电二极管的阈值电流和响应光电流，并计算数值M，所述M为响应光电流与加载电流的比值；
（4）设置温箱温度为筛选温度，测试该条件下光电二极管其阈值电流和响应光电流，并计算数值M；
（5）对比步骤（2）（3）中的阈值电流和M，计算半导体激光器的发光效率下降率；
（6）预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限，对比测试的光电二极管，筛选出不符合条件的半导体激光器。
本实施例中，步骤（3）、（4）、（5）、（6）的操作与实施例1中相关步骤相同。在此，增加了步骤（1），是由于半导体激光器中的光电二极管固定位置有差异，导致每只光电二极管的响应度有差异，不适合在产业上大规模进行检测，所以通过实际情况调整电阻的阻值，使所有光电二极管的响应度为一个固定值，就能实现批量大规模检测，省时省力。
Claims (7)
1.一种半导体激光器的温度分级筛选的平台，其特征在于：包括微处理器、可编程电流源芯片、温箱和位于温箱内半导体激光器，所述半导体激光器自带光电二极管，且光电二极管阳极和半导体激光器负极间还串联一接地的电阻，其中微处理器通过总线与可编程电流源芯片相连，光电二极管的阴、阳级分别接可编程电流源芯片的I/O口和微处理器的模数转换器。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器的温度分级筛选的平台，其特征在于：所述半导体激光器为多个，且均通过多路模拟开关与微处理器和可编程电流源芯片连通，所述多路模拟开关受微处理器控制在多个半导体激光器中进行切换。
3.一种半导体激光器的温度分级筛选的方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）选择待测半导体激光器，定义其光电二极管的响应光电流；
（2）设置温箱温度为25℃，测试该条件下光电二极管的阈值电流和响应光电流，并计算数值M，所述M为响应光电流与加载电流的比值；
（3）设置温箱温度为筛选温度，测试该条件下光电二极管其阈值电流和响应光电流，并计算数值M；
（4）对比步骤（2）（3）中的阈值电流和M，计算半导体激光器的发光效率下降率；
（5）预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限，对比测试的光电二极管，筛选出不符合条件的半导体激光器。
4.根据权利要求3所述半导体激光器的温度分级筛选的方法，其特征在于：在步骤（1）前还包括如下步骤；
a.调整半导体激光器中电阻的阻值，使所有待测导体激光器中光电二极管的响应度为一固定值。
5.根据权利要求3所述半导体激光器的温度分级筛选的方法，其特征在于：所述步骤（1）具体为，当温箱内的半导体激光器为多个时，微处理器通过控制多路模拟开关选择其中一个半导体激光器。
6.根据权利要求3所述半导体激光器的温度分级筛选的方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为，
a.设置温箱温度为25℃，
b.微处理器控制可编程电流源芯片输出步进的加载电流；
c.测试阈值电流，记录下每个加载电流对应的响应光电流值并存储；
d.计算数值M。
7.根据权利要求3所述半导体激光器的温度分级筛选的方法，其特征在于：所述步骤（5）具体为，
a.预设筛选温度下的阈值电流上限和发光效率下降率下限；
b.比较阈值电流，将步骤（3）中的阈值电流与预设的阈值电流上限比较，超过则筛除，否则，至步骤c；
c.比较发光效率下降率，将步骤（5）中的发光效率下降率与预设的发光效率下降率下限比较，低于则筛除。
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