CN102353524B - 半导体激光器动态光谱测试方法及装置 - Google Patents

半导体激光器动态光谱测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器动态光谱测试方法及装置，采用动态波长解调技术来实现光谱特性的动态快速测量，采用长周期光纤光栅作为波长的解调装置，同时利用温度作为光栅布拉格波长的动态调节参数，根据实时测量的光强大小来实现半导体激光器光谱特性的动态快速测量。

Description

半导体激光器动态光谱测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器用动态光谱测试方法及装置，特别是用于半导体激光器的老化试验，实现对器件的可靠性测试与评价。
背景技术
为新一代信息化装备关键元件的半导体激光器，其质量和可靠性指标是保证应用系统长寿命、高可靠、高安全工作的关键因素。通过对半导体激光器可靠性的测试可以预测器件在正常工作条件下的寿命；检验器件的制作工艺；在较短时间内暴露器件的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因，淘汰早期失效产品；测定器件的极限使用条件。
电老化的方法就是在一定电流下观察器件在老化期间输出功率的变化，或在一定的输出功率下观察电老化期间驱动电流的增长。目前，用于半导体激光器可靠性评估的电老化方法可分为2种，一种是短时间加速老化，用于器件筛选；另一种是高应力加速老化用于寿命评估。后一种情况时通常增加老化实验的温度，一般从25度增加到80度。
半导体激光器的光谱特性是反映器件内在质量的重要信息，因而在半导体激光器老化试验中光谱特性测试是其非常重要的一部分。传统的测试方案主要采用单色仪、光谱仪和波长计来进行解调，但是这些方案的测试设备都有体积大、价格昂贵等缺点。特别是在半导体激光器腔面退化的监测过程中，由于腔面退化失效时间很短，需要对半导体激光器的光谱变化进行快速、实时测量。
作为一种新的光纤传感技术，光纤光栅传感器只有一根光纤，敏感元件(光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比；同时，作为在光纤光栅的基础上发展起来的一种波长调制型光学传感器，光纤光栅传感器不仅继承了普通光纤传感器的许多优点：如不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、成本低、抗腐蚀、耐高温等；此外，光纤光栅传感器还有一些明显优于普通光纤传感器的特点：如波长编码、便于复用，且便于组建传感器网络，易于引入综合处理器对信号进行集中处理等。因此，光纤光栅传感技术非常适合于半导体激光器光谱变化的实时测量。
本发明提出一种采用动态波长解调技术来实现光谱特性的动态快速测量，该方法采用长周期光纤光栅作为波长的解调装置，同时利用温度作为光栅布拉格波长的动态调节参数，根据实时测量的光强大小来实现半导体激光器光谱特性的动态快速测量。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种采用宽谱宽的长周期光纤光栅来实现的半导体激光器动态光谱特性测量方法及装置，以解决现有技术的问题。
本发明通过以下技术方案得以实现。
一种半导体光源动态参数的测试方法，包括如下步骤：
利用具有特定的发射光谱的半导体光源产生发射光；
利用耦合元件耦合所述发射光，所述半导体光源的所述发射光被馈送到至少一个测量传感器，所述测量传感器具有特定的透射光谱，其所输出的透射光的光强由所述发射光谱和所述透射光谱的关系决定；
利用探测设备测量所述透射光的光强；
利用分析设备对所述探测设备的测量结果进行分析，得到所述半导体光源的状态参数。
优选地，所述半导体光源是半导体激光器。
优选地，所述测量传感器是长周期光纤光栅，所述透射光谱由所述长周期光纤光栅的温度决定。
优选地，所述透射光的光强在所述发射光谱的中心波长与所述透射光谱的中心波长匹配时达到最大值。
优选地，所述半导体光源的状态参数包括所述发射光的光谱。
另外，本发明还提供了一种半导体光源动态参数的测试装置，包括：
具有特定的发射光谱的半导体光源，其能够产生发射光；
耦合元件，其用于耦合所述发射光；
至少一个测量传感器，其能够接受被所述耦合元件馈送的所述半导体光源的所述发射光，所述测量传感器具有特定的透射光谱，其所输出的透射光的光强由所述发射光谱和所述透射光谱的关系决定；
探测设备，其用于测量所述透射光的光强；
分析设备，其对所述探测设备的测量结果进行分析，得到所述半导体光源的状态参数。
优选地，所述半导体光源是半导体激光器。
优选地，所述测量传感器是长周期光纤光栅，所述透射光谱由所述长周期光纤光栅的温度决定；
所述装置还包括温度控制设备，用于控制所述透射光谱。
优选地，所述透射光的光强在所述发射光谱的中心波长与所述透射光谱的中心波长匹配时达到最大值。
优选地，所述半导体光源的状态参数包括所述发射光的光谱。
本发明的方法和装置具有结构简单、尺寸小、动态响应快、价格低廉和容易扩展的优点
附图说明
图1是本发明动态测量方法的示意图。
图2是本发明的测试系统结构图。
具体实施方式
光谱动态测量原理如图1所示。当半导体激光器的输出光通过耦合器进入到长周期光纤光栅后，光栅透射出的光进入探测器，探测器的输出与光纤光栅的透射中心波长与半导体激光器中心波长的匹配程度相关，当其透射中心波长与半导体激光器中心波长匹配时，探测器的输出最大。
本发明利用长周期光纤光栅作为波长的解调装置，利用恒温控制平台保证光纤光栅不受外部环境的影响，即其透射谱形状与位置为固定不变，因此当半导体激光器中心波长发生变化时，探测器的输出也会发生相应的变化，记录此时输出信号的大小，根据探测器的输出便可得到被测波长的大小。
在本发明中，光纤光栅透射谱的上升沿与下降沿均可作为测量用。根据基于长周期光栅的动态光谱测量方法，构建的测量系统如图2所示。
参见图2所示，本发明的动态测量系统包括有耦合器、长周期光纤光栅、温度控制平台、探测器PD、温度控制电路、adc模块和dac模块、微控制器和计算机。
半导体激光器发出的光经耦合器后分别进入两路光纤光栅中，投射的光经探测器PD后转化为光电流，再经I/V转换电路后输入至adc模块，微控制器对采集的光信号大小进行判断，根据标定曲线计算出此时的波长大小，计算数据通过串口发送至计算机，计算机画出曲线。为了保证测试的灵敏性，需要将初始测量点调整到投射谱曲线的上升沿或下降沿的中心位置，此时探测器输出调整到最大输出的一半。而这种初始点的调整通过改变温度控制平台的温度来实现，对于长周期光栅而言，其透射谱的中心波长与温度的变化关系大约是0.1nm/度，因此调整光纤光栅所在温度平台的温度很容易实现这种调整。
(一)耦合器
在本发明中，耦合器为普通的单模耦合器即可，其只是起到一般的分光作用，从事实现多路的测量。
(二)光纤光栅
在本发明中，选择长周期光栅作为测量传感器，透射强度根据具体情况可以选择0～90％、光栅3dB带宽根据具体情况可以选择为5～30nm；对于谐振峰波长，在施加温度情况下，可以实现±5nm的调节。
(三)探测器及处理电路
在本发明中，探测器PD用于实现光电信号的转换，选择一般的PIN光电二极管即可。
由于探测器输出的信号为光生电流，所以还需要后续的I/V处理电路。该处理电路需要采用高速高阻抗输入的运放，比如ad8066。
(四)温度控制平台与温度控制电路
在本发明中，温度控制平台用于实现光纤光栅传感器的透射谱中心波长的调整。为了保证测试的灵敏性，需要将半导体激光器波长的初始测量点调整到投射谱曲线的上升沿或下降沿的中心位置，此时探测器输出调整到最大输出的一半。而这种初始点的调整通过改变温度控制平台的温度来实现，对于长周期光栅而言，其透射谱的中心波长与温度的变化关系大约是0.1nm/度，因此调整光纤光栅所在温度平台的温度很容易实现这种调整。
在本发明中，温度控制平台采用热电制冷器作为控制元件，温度调整范围为(-45℃～+70℃)。温度控制电路采用PID控制，控制精度为0.1度。
(五)微控制器部分
微控制器部分主要实现三个功能：(1)A/D、D/A的转换控制；(2)波长大小的解调；(3)与上位机的通信。微控制器采用单片机、FPGA或DSP均可。
(六)计算机部分
计算机部分主要实现对波长数据的采集，图形化显示波长与温度和时间的关系。该部分程序采用LABVIEW编程实现，或采用其他语言。
以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种半导体光源动态参数的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
利用具有特定的发射光谱的半导体光源产生发射光；
利用耦合元件耦合所述发射光，所述半导体光源的所述发射光分别进入两路长周期光纤光栅中，所述长周期光纤光栅具有特定的透射光谱，其所输出的透射光的光强由所述发射光谱和所述透射光谱的关系决定；
利用探测设备测量所述透射光的光强；其中，初始测量点调整到透射谱曲线的上升沿或下降沿的中心位置，此时探测设备输出调整到最大输出的一半；
利用分析设备对所述探测设备的测量结果进行分析，得到所述半导体光源的状态参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体光源是半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透射光谱由所述长周期光纤光栅的温度决定。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述透射光的光强在所述发射光谱的中心波长与所述透射光谱的中心波长匹配时达到最大值。
5.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述半导体光源的状态参数包括所述发射光的光谱。
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