CN103339808A - 激光表征系统和过程 - Google Patents

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Abstract

一种用于自动表征从半导体晶片分离的半导体条上的多个外腔半导体激光器芯片的系统和过程。该系统包括：衍射光栅，被安装在旋转台上，用于使衍射光栅转动通过衍射角范围；操纵镜，被安装在旋转台上并被定向成垂直于衍射光栅的表面；激光分析仪；以及激光器条定位台。该定位台被自动移动以使平台上的激光器条中的每个激光器芯片与衍射光栅对准（一次一个芯片），使得从激光器条中的激光器芯片发出的激光束的部分被光栅的一阶衍射反射回同一激光器芯片以锁定激射波长，并且激光束被操纵镜反射的余下部分被激光分析仪接收并表征。对于每个激光器芯片，旋转台被自动转动以使衍射光栅相对于激光器芯片所发出的激光束转动通过衍射角范围，并且激光分析仪自动地表征每个衍射角下的激光器光学性质（诸如光谱、功率或空间模式）。

Description

激光表征系统和过程
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2010年12月2日提交的美国临时申请61/419,042的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用而整体结合于此。
背景技术
本公开涉及一种用于表征半导体激光器的系统和过程，更具体地涉及外腔半导体激光器的表征，还具体地涉及在将每个单独的外腔半导体激光器芯片从激光器芯片条分离和安装之前对激光器芯片条上每个外腔半导体激光器芯片的自动测试和表征。
量子级联激光器（QCL）是一类单极半导体激光器，其主要在中红外（MIR）和远红外（FIR）波长范围内（例如在从约3μm到约15μm的波长范围内）发光。外腔量子级联激光器（EC-QCL）是将量子级联增益块（例如在一个面上具有抗反射涂层的激光器芯片）与外腔组合的激光器系统。外腔典型地包括准直透镜和衍射光栅镜（或简称为衍射光栅）。在用于可调谐外腔半导体二极管激光器的常规Littrow配置中，从量子级联增益块发出的光被衍射光栅以一阶衍射沿着原始光束路径向回反射，并被反射回到量子级联增益块中以实现激射。这样的激光器系统通常被小心地设计以使其能在单波长下激射，该单波长由光栅镜的光栅角（或Littrow角）决定。光栅角是垂直于衍射光栅延伸的轴与从量子级联增益块发出的光束的路径的轴之间的角。当衍射光栅转动或枢转时，光栅角改变，并且由EC-QCL产生的激光束的激射波长也改变。因此，通过转动光栅镜，可在一定范围内调谐EC-QCL激光器系统的激射波长。激射波长可被调谐的范围由多个参数（诸如量子级联增益块的增益分布、增益块的面上的抗反射（AR）涂层、增益块与外腔之间的耦合效率、以及光栅镜的一阶衍射的反射率）决定。
EC-QCL提供单频率中红外辐射的相对较宽的光谱可调谐性，这在中红外光谱测量和分子感测中有多种应用。EC-QCL增益介质参数的表征和优化（诸如激光器的调谐范围和电学性质的表征）在EC-QCL开发和设计中是最重要的因素之一。用于EC-QCL配置中的QCL增益介质的制造、表征和选择的传统方法需要若干阶段：1)晶片的设计、生长和处理；2)晶片解理和分离成单个EC-QCL芯片；3)芯片管芯接合/安装；4)芯片面涂覆（每次一个）；5)单个EC-QCL芯片测试、表征和最优增益介质选择。虽然阶段1通常被优化成最佳工业标准，但阶段2-阶段5的过程通常手动执行，并且难以在高产量的工业制造以及研究和开发环境中实现。每个单独的EC-QCL芯片的分离、安装、测试和表征需要大量的时间和胜任的操作者来执行复杂的激光器－腔对准。因此激光器芯片的表征是成本高、耗时并且劳动密集的过程。存在对用于在制造的最早阶段（诸如在上述的阶段2至阶段5中的一个或多个阶段之前）测试和表征EC-QCL和其它类型的外腔（EC）激光器芯片的过程和系统的需求，该过程和系统消除阶段2到阶段5中浪费的时间和精力，并提供更高效和成本有效的激光器测试和表征过程。
概述
如本文中描述的一个实施例提供用于在将抗反射（AR）和/或高反射（HR）涂覆的外腔激光器条（具有40个QC增益块）分离成单个激光器芯片/二极管之前对抗反射（AR）和/或高反射（HR）涂覆的外腔激光器条执行全自动测试和表征的系统和过程。本实施例的系统和过程确保输出激光束的稳定光轴，并且在调谐过程期间没有光束操纵和走离。本实施例的系统和过程还提供稳定的外腔设计，其具有精确、自动的激光-腔对准和/或表征。通过每次提供对量子级联激光器芯片的仅一个面的访问，避免了针对输出激光辐射的第二准直透镜的对准的复杂性，这在具有不同长度的波导的量子级联激光器的情况下尤其有益。
将在以下详细描述中阐述附加的特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的发明可认识到。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了进一步的理解，并被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用于说明多个实施例的原理和操作。
附图简述
图1是从其上形成有QCL芯片行的晶片切割的QCL激光器芯片条的立体示意图；
图2是根据本发明的实施例的激光器条测试和表征系统的实施例的示意图；
图3是激光器条测试和表征系统的功能框图；
图4是用于图2和3的系统中的激光器条真空卡盘夹具的实施例的立体示意图；
图5是用于图2和3的系统中的外腔模块（EC模块）的实施例的示意图；
图6是衍射光栅与图5的EC模块中的旋转台上的操纵镜的对准的示意图；
图7是衍射光栅与图5的EC模块中的旋转台的旋转轴的对准的示意图；
图8是准直透镜与图5的EC模块中的衍射光栅和旋转台的对准的示意图；
图9是QCL芯片与图5的EC模块中的准直透镜的对准的示意图；
图10是图5的EC模块中的处于闪耀角的衍射光栅与来自图2和3的系统中的激光器芯片的光束的对准的示意图；
图11是示出通过图2和3的系统表征的工作在3.5μm的EC-QCL芯片的EC光谱可调谐性和阈值电流谱的曲线图；
图12是示出通过图2和3的系统表征的同一条上的选择EC-QCL芯片的阈值电流相对于光栅角的曲线图。
图13是示出通过图2和3的系统表征的同一条上的选择量子级联激光器的调谐谱的一系列曲线图。
详细描述
现在将具体参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。
本公开提供用于在将从半导体晶片切割的条上的多个激光器芯片分离成单个激光器芯片或者安装单个芯片以供后续处理或测试以及表征之前对多个激光器芯片进行自动对准、测试以及表征的系统和过程。如图1示意性地示出，半导体晶片10上按照多个行形成的多个激光器芯片3。如图1所示，晶片10被解理以从晶片分离激光器芯片的各个行，即从晶片分离半导体材料的各个条1（“激光器条”），该条上具有排列的多个激光器芯片3。例如，激光器芯片可以是沿着激光器条1的长度平行地排列的40个QCL法布里－珀罗(Fabry-Perot)腔波导激光器芯片或增益块。激光器条1的一侧上的解理面5可设置有在波导的一端上的高反射（HR）涂层，而激光器条的另一侧上的解理面7可设置有在波导的另一端上的（AR）涂层。也可利用本文中描述的系统和过程来测试未经涂覆的芯片。
现在将参考图2和3来描述用于激光器条1上的半导体激光器芯片3的自动对准、测试和表征的系统的一个实施例。根据本发明的实施例的激光表征系统包括激光器条定位台模块（PS模块）100和外腔模块（EC模块）200。PS模块100被配置成以受控制的方式相对于外腔（EC）模块200移动激光器条1，以使激光器芯片3与EC模块逐个对准。EC模块又被配置成以受控制的方式使衍射光栅210关于PS模块上的激光器芯片转动或枢转。准直透镜212被定位在PS模块200与EC模块之间，以使从激光器芯片3发出的光L与EC模块对准，并将经准直的光束B1聚焦到衍射光栅210上。准直透镜可以是EC模块200的预对准部分。准直透镜212可以是具有AR涂层的快速（f值f#≦1）非球面透镜，其被校正以消除球面像差，且被特别设计用于校准高度发散的光束。仅作为示例，准直透镜212可以是针对3与12μm之间的波长设计的1″直径、f/0.6、Ge、AR涂覆的透镜。准直透镜可被安装在平移台或透镜对准模块上，诸如本领域已知的用于提供线性移动的常规3D平移台。台可优选地装备有远程控制压电电机，用于按照激光光学对准的需要来定位透镜212。
在本发明的一个实施例中，整个系统可被密封在真空气密的外壳（未示出）内，因此对准准直透镜212的最简单方法是利用自动化可移动台228或其它透镜定位机构。在准直透镜不在外壳内的实施例中，可使用其它调节模式，包括手动调节。
根据本发明的一个实施例，PS模块100可包括真空卡盘110、定位台120以及电子探针130。真空卡盘110被安装在定位台120之上，以将要表征的激光器条1精确地安装在定位台120上。如图4所示，一行真空孔112设置在真空卡盘的平坦顶面113中，并形成与面对EC模块200的真空卡盘的边缘平行并与之毗邻的激光器条安装站。通过真空孔吸取空气，以在放置于安装站上（例如在真空孔上的卡盘的顶面上）的激光器条1的底面上产生吸力，由此将激光器条固定在卡盘上的安装站上的适当的位置。一对精确定位的对准邻抵件115、116和精确定位的定位邻抵件117从真空卡盘的顶面向上延伸。对准邻抵件115、116配合激光器条1的AR涂覆边缘7的相对两端，以使激光器条1相对于定位台120和EC模块预对准。定位邻抵件117配合激光器条的一端，以将激光器条横向地预定位在卡盘110上。对准邻抵件被示为板，但可理解，对准邻抵件可以是销或其它结构。类似地，定位邻抵件116被示为销，但也可以是板或其它结构。替代地，代替对准和定位邻抵件，可在卡盘的顶面中精确地形成精确形成和定位的定位槽，以用于在定位台上接收、对准和定位激光器条。在该情况下，真空孔112的行可被设置在定位槽的底部。真空卡盘110可由诸如铜之类的导电材料形成，并且通过热电冷却器(TEC)模块150进行温度控制以冷却激光器条1并将激光器条保持在基本恒定的温度下。替代地，来自诸如冷冻机之类的冷却单元的经冷却流体可通过设置在卡盘中的冷却剂通道循环，以代替TEC。
定位台120连接至计算机或控制器160，以精确地控制定位台的运动，并使激光器条上的各个激光器芯片3与EC模块200自动对准以进行自动测试和表征。例如，定位台120可以是精密6轴平移台，例如6轴六足车（hexapod），诸如来自Physik Instrumente(PI)GmbH公司的PI F-206.SHexAlignTM。该6轴六足车定位台提供激光器条1的精确平移和转动，以实现激光器条1上的各个激光器芯片3相对于EC模块200的可重复的定位和对准。
电子探针130通过机动探针操纵器132被安装在定位台120（或卡盘110）上。探针操纵器132由控制器160控制，以实现电子探针130的自动化移动以与激光器条1上的激光器芯片3产生顶部电气接触或脱离顶部电气接触，以激活该激光器芯片，该激光器芯片与EC模块对准。该激光器芯片通过导电真空卡盘110电气接地。替代地，可在安装站中在真空卡盘的顶表面113上设置电气接触，以用于接触激光器条上的激光器芯片并使该芯片接地。电子探针130可通过一个或多个机动微平台安装在该台上，以实现探针与激光器条上的每个单个激光器芯片的接触和脱离接触。例如，电子探针可被安装在2个机动微平台上，一个微平台用于在沿激光器条的水平x方向上从激光器芯片到激光器芯片的移动，一个微平台用于在垂直z方向上与选择激光器芯片的配合和脱离配合的运动。例如，探针操纵器可包括来自National Aperture,Inc.的两个MM-3M机动Micro-MiniTM平台。探针操纵器与真空卡盘110共同位于定位台120上，从而当定位台120被移动以使激光器芯片3与EC模块200对准时，电子探针130与真空卡盘110上的激光器条1一起移动。
根据本发明的一个实施例的外腔（“EC”）模块200在图2、3和5中示意性地示出。EC模块200包括在旋转台230上预对准的衍射光栅210和束操纵镜220以形成衍射光栅单元。衍射光栅210和束操纵镜220相对于彼此以直角安装在垂直定向的旋转台230上。旋转台230具有水平旋转轴232，用于使衍射光栅210和束操纵镜220相对于在安装站处被安装在真空卡盘110上的激光器条中的待测试激光器芯片转动。衍射光栅210和束操纵镜220相对于彼此以直角安装，从而输出束B2在其轨迹中保持基本稳定并且在衍射光栅在表征期间转动时不会“走离”。
激光分析仪140被定位以接收和分析输出束B2，并且对该束的空间分布进行概况分析。激光分析仪140可以是用于激光器芯片的光谱表征的傅立叶变换红外光谱仪（FTIR），或可以是基于用户需求的任何其它光学测试设备，诸如光栅光谱仪、M^2（束质量）测量系统、简单功率计、偏振计、干涉仪。分析仪所检测的光信号可由锁定放大器170解调以获得改善的噪声消除。
衍射光栅210可以是任何合适的反射性光栅，该反射性光栅具有适当的分辨能力和效率，包括但不限于对于期望波长区域闪耀的刻划反射性衍射光栅。合适的光栅的示例是具有300个沟槽/mm的对于5.4μm波长闪耀的刻划衍射光栅。类似地，操纵镜220可包括任何合适的反射表面，包括但不限于金、银或铝涂覆的反射镜，其可在宽波长范围内提供高反射率。
旋转台可被安装在支承框架234上，支承框架可被安装在柱（未在图5中示出）或其它支承结构上且在Z方向上可垂直调节。旋转台230可经由倾斜台240被安装在支承框架234上，倾斜台240用于调节旋转台230的水平倾斜，由此调节衍射光栅210和束操纵镜220相对于安装在真空卡盘110上的待测试激光器芯片的倾斜。倾斜台的枢转轴应当垂直于光栅旋转台230的旋转轴。准直透镜可经由透镜定位机构238被安装在从支承框架234延伸的臂236上，使得准直透镜可被精确地定位在被安装在真空卡盘110上的待测试激光器芯片3与衍射光栅210之间。可采用合适的驱动装置（诸如步进电机）来转动旋转台232和倾斜台240以对准EC模块（如下文更详细描述），并在控制器160的自动控制下或手动控制下移动柱上的支承框架234。
在外腔激光器中，存在对外腔的多个调节自由度。为了执行EC模块200与激光器条1上的激光器芯片3的可靠对准并确保EC模块在芯片3的整个调谐范围内的良好耦合，应当使EC模块的元件小心地预对准。在准直透镜是EC模块的一部分的实施例中，应当满足以下EC模块预对准要求。
第一EC模块预对准要求。如图7所示，衍射光栅210应当被安装在旋转台230上，使得衍射光栅210中的沟槽242与旋转台230的旋转轴232（或旋转轴232）平行地对准。否则，当衍射光栅转动时，所反射和衍射的光束将不与激光器光轴重合。
第二EC模块预对准要求。如图2和6所示，衍射光栅210和光束操纵镜220应当被安装在旋转台230上，使得由衍射光栅210和操纵镜220的表面限定的两个平面彼此成直角地定向，并且这两个表面的相交线与旋转台230的旋转轴232重合。否则，当衍射光栅在波长表征过程期间转动时，输出束B2将“走离”。
第三EC模块预对准要求。如图8所示，倾斜台240的定向和/或准直透镜210的位置应当被调节，使得旋转轴232垂直于准直透镜的轴244（透镜轴212）定向。否则，当衍射光栅在波长表征过程期间转动时，被表征的向激光器芯片3反射回的衍射束将走离，这将降低EC与激光器芯片3的耦合效率。
一旦符合EC模块预对准要求，则EC模块的元件的对准将被永久固定，使得EC模块保持正确对准以用于未来的激光器表征。
如果尚未如此安装，则对准的EC模块现在将被安装在柱上或其它支承结构（未示出）上，使得EC模块毗邻并且面对PS模块。为了使反射的衍射束充分地耦合回到被表征的激光器芯片3的激光器波导/增益块中以实现激射，应当满足两个EC模块-PS模块对准要求。
第一EC模块-PS模块对准要求。如图9所示，定位台120的位置和定向和/或EC模块200在柱上的垂直位置应当被调节，使得从在激光器条的第一端上的待表征第一激光器芯片3发射的光束248的轴（或简称为束轴）与准直透镜的透镜轴244对准并重合。
第二EC模块-PS模块对准要求。如图10所示，旋转台应当被调节/转动，使得衍射光栅210的表面相对于光束B1以光栅角或Littrow角θ定向。当系统针对特定激光器条配置首次初始化时，第一和第二EC模块－PS模块对准要求或步骤可能要求手动预对准。
为了在根据本发明的一个实施例的过程中表征激光器条1上的芯片3，如上所述，EC模块的组件被预对准，且EC模块与PS模块预对准。该系统现在准备好在表征激光器条上的激光器芯片之前自动对准。为了使系统自动化，首先，将电子探针130向上移并且远离对准邻抵件115、116和定位邻抵件117。然后将激光器条1定位在真空卡盘110的顶面113上的安装站上，并且使激光器条的AR涂覆面7与对准邻抵件115、116接触，以及激光器条的末端与定位邻抵件117接触。将激光器条的大小和类型输入控制器，控制器被预先编程以自动地定位、对准和分析激光器条上的激光器芯片。例如，激光器条1可以是具有40个EC-QCL激光器芯片（C1、C2、C3……C40）的条。将理解，本发明的系统和过程可用于测试和表征其它类型的激光器。如果真空卡盘的真空尚未开启，则现在开启真空以将激光器条保持在真空卡盘上适当的位置。还将期望的光栅角θ范围（即要表征的最小和最大光栅角、光栅角θ1,θ2,…θn的递增次数）输入控制器。要测试的光栅角θ的范围由激光器芯片增益分布的宽度决定。例如，对于从4.5μm到4.7μm的激光器调谐范围，可根据布拉格方程计算要测试的光栅角范围约为2度到3度。可基于能承受的最大总表征时间来选择要测试的光栅角θ的递增次数。例如，递增次数n可被设置为15或20。
可将控制软件设计成使得在每个激光器芯片3的实际表征之前，执行自动对准过程以找出每个激光器芯片C1、C2、C3……Cn的最优外腔耦合位置和对准。如果在EC模块和PS模块的预对准期间尚未完成，则控制器转动旋转台230以将衍射光栅210定位在光栅角θ处，并使定位台120平移和转动以定位和对准第一激光器芯片C1，使其与衍射光栅210相对并与衍射光栅210对准。控制器还移动电子探针130以使其与激光器条1上的第一激光器芯片3C1接触。控制器然后以脉冲模式操作第一激光器芯片C1以激活第一激光器芯片C1。通过激光分析仪140来检测光信号或输出束B2。可使用激光分析仪来对光束的空间分布进行概况分析。然后可通过锁定放大器170来解调激光分析仪。将光谱仪的锁定输出（与输出束B2的光功率成比例）反馈回控制器160，以通过控制器进行定位台120的自动移动来实现自动对准。
EC模块与PS模块的最终自动对准使得第一激光器芯片C1被精确地定位和定向以与EC模块对准，该最终自动对准可如下地执行。控制器在预定移动范围内（例如对于约50μm的总平移范围，在x和z方向上典型地约+/-25μm的平移）平移定位台120，同时通过激光分析仪140来监测发射束B2的功率。用户可选择通过在y方向上在预定移动范围内平移定位台120、同时对于每个y位置执行x和z自动对准，来另外地执行光束准直质量的自动调节。例如，这可包括在y方向上的典型约+/-10μm的平移。控制器将第一激光器芯片发出的光束B2的功率最大时的定位台的位置记录在存储器中，作为第一激光器芯片C1的对准位置。
一旦第一激光器芯片C1被最优地对准，则该系统准备好测试和表征第一激光器芯片。然而，任选地，该系统可首先自动确定余下的激光器芯片C2、C3……Cn中的每一个的预对准位置。为了确定余下的激光器芯片中的每一个的预对准位置，控制器可停用电子探针、从激光器条缩回电子探针、并移动定位台以使最后一个激光器芯片Cn与EC模块预对准。控制器然后如之前所描述地在脉冲模式下操作最后一个激光器芯片Cn，并且平移定位台120以精确地定位最后一个激光器芯片Cn并使其与EC模块对准，并将最后一个激光器芯片Cn的最优对准位置存储在控制器的存储器中。一旦确定了该条的两端处的第一和最后一个激光器芯片的最优对准位置并将其保持在存储器中，则可通过控制器来计算该条上的所有其它激光器芯片的预对准位置并将其存储在存储器中。可基于所确定的第一和最后一个芯片的最优位置来调节激光器条的定向。利用该信息，系统准备好表征激光器条上的每个单独的激光器芯片。
该系统的预对准和对准（例如激光器条上的第一和最后一个激光器芯片的定位和PS模块的最终对准）都可自动地执行。替代地，为了加速初始化过程，可通过将第一和最后一个激光器芯片C1和Cn与EC模块手动预对准来通过定位台手动地执行预对准，其中控制器执行第一和最后一个激光器芯片与EC模块的最终精确预对准，并将它们的位置存储在存储器中。
在每个激光器芯片的位置被确定并被存储在存储器中的情况下，系统现在准备好表征激光器条上的每个单独的激光器芯片。每个激光器芯片的测试和表征如下地执行。控制器将定位台120平移至第一激光器芯片C1的对准位置，以使第一激光器芯片与EC模块对准。控制器然后移动电子探针130以使其与激光器条1上的第一激光器芯片C1接触。控制器然后以脉冲模式操作第一激光器芯片C1以激活第一激光器芯片C1。控制器可再次执行自动最终对准检查以将第一激光器芯片与EC模块精确地对准，该自动最终对准检查是与自动预对准过程中描述相同的过程。控制器然后转动旋转台230以将衍射光栅210定位于最小光栅角θ1（例如为了实现4.500μm下的激射和在300个沟槽/mm光栅情况下，光栅角为42.45度），并以脉冲模式操作第一激光器芯片C1。
首先，使提供给激光器芯片的电流斜升，以找出激射所需的阈值电流。当利用光输出功率读数（来自锁定放大器）检测到输出束时，则将所提供的电流存储在存储器中作为第一激光器管芯C1的阈值电流。在激光分析仪140中检测输出束B2的光学信号，并且通过锁定放大器170来解调光谱仪。然后通过激光分析仪确定输出束B2的波长，并将其记录在存储器中作为第一激光器芯片在最小光栅角θ1下的波长。然后以增量方式转动衍射光栅至第二光栅角θ2，并且按照相同的方式确定第一激光器芯片C1在第二光栅角θ2下的输出束的阈值电流和波长，并将其存储在存储器中。针对从θ1到θn的每个衍射光栅角重复该过程，并将第一激光器芯片在每个衍射角从θ1到θn下的阈值电流和波长存储在存储器中。
一旦第一激光器芯片已完整地被表征，则从第一激光器芯片C1撤回电子探针130，并且控制器移动定位台以使第二激光器芯片C2与EC模块预对准。然后移动电子探针以使其与第二激光器芯片C2接触，并且按照之前关于第一激光器芯片描述的相同方式对第二激光器芯片进行自动对准和表征，并将第二激光器芯片在每个光栅角下的阈值电流和波长存储在存储器中。针对每个激光器芯片C1到Cn重复对准和表征过程，并且将每个激光器芯片在每个光栅角下的阈值电流和波长存储在存储器中。
图11是对于各个激光器芯片检测到的相对于波长或波数（水平轴）绘制的以任意单位表示的阈值电流（示为点和右侧的垂直轴）和强度（通过垂直条和左侧垂直轴示出）的示例性曲线图。如图12所示，可相对于光栅角或波长绘制并连接所表征的激光器芯片的阈值电流，以产生阈值电流-波长曲线族。图12仅示出对具有相同波导参数的激光器的选择曲线。在调谐范围之外观测到的恒定阈值电流表明对外腔模激射的反馈不足。可能期望在法布里－珀罗（FP）模式下激射，因为FP模式位于增益曲线的中心，在该中心处增益最高，从而提供更好的反馈。该程序可将所有数据存储在四个不同的文件中。一个文件用于存储所有测量参数和光谱数据，包括每个激光器芯片的调谐范围内的所有光谱。第二个文件用于存储每个激光器的激光器阈值相对于光栅角的数据。第三个文件用于每个激光器芯片的所有LI曲线。第四个文件用于存储每个激光器芯片的对准位置。可在微软公司的Excel或类似的软件上分析和操作该数据，以供日后处理。
图13示出对于来自单个激光器条内的七个4.6μm量子级联激光器的具有相同带宽度的激光器条上的所选择激光器芯片表征的波长调谐谱。例如，该激光器条可以是由40个激光器组成的EC-QCL激光器的条，这40个激光器具有从一个芯片到另一个芯片通过选择的带宽度范围周期性变化的带宽度，以用于测试和评估不同的带宽度。可利用相对于光栅角的所有调谐谱或阈值电流改变来表征每个激光器芯片的可调谐性。例如，可如本文描述地绘制调谐谱或阈值电流变化。
如图11所示，每个垂直条处的每个激射谱对应于在不同光栅角θ1至θn下激射的单个模式。当光栅镜转动时，激射波长移动（或被调谐）。激光器芯片的可调谐性是激光器可在单个模式内激射的最宽的波长范围θ，该范围可从图11中的曲线图的水平轴上的最长激射波长与最短激射波长的波长（或波数）之差中确定。例如，在图11中，所表征的激光器芯片#28的可调谐性以波数表示约为120cm-1（从约2900cm-1到约2780cm-1）。图13的曲线图示出激光器#13的可调谐性比激光器#33的可调谐性大。当激光器在外腔模式（通常为单模式）下激射时，激射阈值小于法布里－珀罗（FP）模式下的激射阈值。
如图11所示，每个黑点对应于每个波长（或不同光栅角）下的激射阈值。在同一x坐标（波数）处存在一些没有谱的黑点。这意味着激光器在该波数/光栅角下在F-P模式而不是外腔模式下激射，这是那些点在同一水平下的原因。该激光器的调谐范围在阈值电流小于F-P模式下的阈值电流的范围内。因此，通过查看阈值电流的TI曲线（相对于光栅角或波数/波长），可确定每个所表征的激光器芯片的可调谐性。例如，根据图12，可知道激光器芯片#35和#25的可调谐性大于激光器芯片#20、#10、#5的可调谐性，激光器芯片#20、#10、#5的曲线下降比激光器芯片#35和#25更窄。最小的调谐范围属于激光器芯片#15，激光器芯片#15具有图12中的曲线图，其中最窄的下降处具有如箭头15所示的约93cm-1的宽度。而最大调谐范围属于激光器芯片#35，其中最宽的下降处具有如箭头35所示的约159cm-1的宽度。利用该信息，可预先选择用于EC-QCL的良好激光器芯片，而无需经过每个器件上的诸如切割、次安装(sub-mounting)、引线接合以及测试。由于调谐范围还由每个激光器面上的AR涂层的质量决定，所以也可在同时检查条内的性能均匀性（包括AR涂层均匀性）。
本文中描述的系统提供对用于EC-QCL的良好激光器芯片的预先选择，不需要在每个器件上进行多个过程（诸如切割、次安装、引线接合以及测试）。由于调谐范围还由每个激光器面上的AR涂层的质量决定，所以也可利用如本文所描述的系统同时检查条内的性能均匀性（包括AR涂层均匀性）。
利用本文中所描述的系统，如果有意地使外腔未对准，则所有激光器芯片都将在F-P模式下激射。然后可执行该系统的基本功能，测量每个激光器芯片的所有激射波长。由于该过程是自动的，所以可扫描来自一个晶片的所有激光器条。因此，可对晶片内的激射波长进行绘图。这将向有源增益区设计者、生长者提供有用的信息反馈或用于改进晶片制造工艺。
本公开提供了自动外腔（EC）激光器芯片测试和表征系统和过程，其能够执行激光器条上的多个激光器芯片与外腔的自动耦合，以及自动执行EC-QCL芯片在不同光栅角下的阈值电流、发射谱和电学参数的完整表征。本文中描述的系统提供选择EC配置中的最佳增益芯片的直接和高效的方式，而无需将激光器条切割成芯片并且定制安装以进行EC-QCL操作。因此，本文中描述的系统极大地降低了选择良好的QC芯片以用于EC-QCL系统所需的劳动成本，因为：（1）该测试在激光器条上执行，因此避免了测试之前的劳动密集的过程（诸如切割、次安装以及引线接合），以及（2）该系统是全自动的，因此一旦构建了该系统来测试相似激光器条中的所有芯片，则不需要额外的劳动。鉴于以下示例将理解本发明的各个实施例。
示例：
本文中描述的系统曾用于测试康宁股份有限公司开发和制造的若干不同的QCL增益芯片。完全表征单个条上的40个激光器所需的总时间约为8小时，其中包括EC对准以及光谱和电学测量。总测量时间主要受限于激光分析仪光谱仪和LI曲线记录所需的时间。
该系统曾用于具有3.5μm的中心波长的短波长QCL增益结构的表征。该系统曾用于测试由康宁股份有限公司制造的四个不同的QCL条。
基于由该系统收集的LI曲线族，绘制了对于耦合至EC的所有激射芯片的所检测的阈值电流相对于被测试光栅角，如图12所示。图12仅示出了具有相同波导参数的激光器芯片#5、#10、#15、#20、#25、#35的选择曲线，其允许评估晶片上的工艺均匀性和端面涂层的质量。在调谐范围的两侧观测到的恒定阈值电流表明对于EC模式激射的不足反馈，因此与法布里珀罗模式一样，激射出现在增益曲线的中心处。阈值电流的低于两端的平坦部分的整个范围表明每个芯片的EC调谐范围。图11示出对于所选芯片的光谱和电学表征数据。阈值曲线与在每个光栅位置处收集的光谱数据的比较确认了降低的阈值区域与EC模式调谐范围之间的关系。
本文中描述的EC激光器测试和表征系统能够将激光器条上的每个EC-QCL或其它类型的EC激光器芯片自动耦合到外腔中，并自动测量每个单个激光器芯片在不同光栅角下的阈值电流、调谐谱和LI曲线，这些都不需要人工操作员的任何手动调节。条（40个激光器）的总的自动测试时间可以是约8小时（包括光谱和LI曲线测量），并且在仅光谱测量的情况下可以是约4小时。预期利用比本文中描述的设备更快的设备（诸如来自Bristol Instrument公司的波频计），可改善处理时间。
对本领域普通技术人员明显的是，可作出各种更改和改变而不背离本发明的精神和范围。例如，本文中将真空卡盘描述和示出为安装在定位台上，以实现相对于EC模块在多个轴上的平移运动。将理解，在本文中描述的所有实施例中，EC模块可被安装在定位台上，以实现相对于卡盘在多个轴上的平移运动，并且该卡盘可以是固定的。

Claims (22)

1.一种用于表征从半导体晶片分离的半导体条上的多个外腔半导体激光器芯片的系统，所述系统包括：
(A)外腔模块（EC模块），包括：
（1）具有旋转轴的旋转台；
（2）安装在旋转台上的衍射光栅；以及
（3）安装在旋转台上的操纵镜，所述操纵镜的表面被定向为垂直于所述衍射光栅的表面；
(B)卡盘，用于保持激光器芯片的条（激光器条），所述EC模块被定位成毗邻所述卡盘，使得从保持在卡盘上的激光器条中的激光器芯片发出的光束与衍射光栅相交，一阶衍射束被衍射光栅反射回激光器芯片以导致所述激光器芯片激射，并且从所述激光器芯片发出的激光束被反射出衍射光栅和操纵镜作为输出束；
(C)计算机控制的多轴定位台，所述卡盘或EC模块中的一个安装在所述多轴定位台上，以实现所述卡盘或EC模块中的一个沿多个轴的平移；以及
(D)基于计算机的控制器，用于：
(1)自动地移动所述定位台并使安装在所述卡盘上的激光器条中的激光器芯片与EC模块对准；以及
(2)操作所述对准的激光器芯片以发射激光束。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
(E)激光分析仪，与所述操纵镜相对地定位以接收和表征所述输出束；以及
其中所述基于计算机的控制器接收来自激光分析仪的信号并表征所述输出束。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的系统，其特征在于，所述衍射光栅的面向所述卡盘的表面具有形成于其中的多个平行的衍射沟槽，并且所述衍射光栅被安装在所述旋转台上，其中所述衍射沟槽被定向成平行于所述旋转轴。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步自动转动所述旋转台以使所述衍射光栅转动通过光栅角范围，并接收来自激光分析仪的表征在选择光栅角下的所述输出束的信号。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的系统，其特征在于，由衍射光栅的表面限定的平面与由操纵镜的表面限定的平面的交线限定的轴与所述旋转轴重合。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括具有透镜轴的准直透镜，所述准直透镜位于所述卡盘与所述衍射光栅之间，使得由保持在卡盘上的激光器条中的芯片发出的光束被准直为经准直束，所述经准直束与所述衍射光栅的表面相交，并且所述准直透镜被定向成使得所述透镜轴垂直于所述旋转轴。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的系统，其特征在于，所述卡盘由导电材料形成。
8.如权利要求1到7中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括温度控制单元，所述温度控制单元控制/维持所述卡盘的温度。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括电子探针，所述电子探针相对于所述卡盘能移动地安装，以在所述控制器的控制下移动以与激光器芯片的顶部实现电气接触来向所述芯片提供电流或脱离电气接触，所述芯片通过所述导电卡盘接地。
10.如权利要求1到9中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括电子探针，所述电子探针能移动地安装在所述定位台上，以在所述控制器的控制下移动以与保持在卡盘上的待测试激光器条上的激光器芯片的顶部实现电气接触来向所述激光器芯片提供电流或脱离电气接触。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括安装在所述定位台上并由所述控制器控制的探针操纵器，其中所述电子探针被安装在所述探针操纵器上以在所述探针的至少一个移动轴上移动以实现与保持在卡盘中的激光器条中的各个激光器芯片的配合或脱离配合。
12.如权利要求1到11中的任一项所述的系统，其特征在于，所述定位台是精密六轴平移台。
13.一种用于自动表征从半导体晶片分离的半导体条（激光器条）上的多个外腔半导体激光器芯片的过程，所述过程包括：
(B)提供衍射单元，所述衍射单元由衍射光栅和操纵镜形成，所述操纵镜被安装并定向成垂直于所述衍射光栅的表面；
(C)自动定位激光器条以与所述衍射光栅单元对准，使得从保持在卡盘上的激光器条中的选择激光器芯片发出的光束与所述衍射光栅相交，一阶衍射束被所述衍射光栅反射回所述选择激光器芯片中以导致所述选择激光器芯片激射，并且从所述选择激光器芯片发出的激光束被反射出所述衍射光栅和操纵镜，使得稳定的输出束反射出所述操纵镜作为输出束；
(D)将电流提供给所述选择激光器芯片，导致所述选择激光器芯片激射；以及
(E)表征所述输出束。
14.如权利要求12所述的过程，其特征在于，步骤（E）的特征进一步在于以下步骤：
(E1)将不断增加的电流提供给所述选择激光器芯片直到所述选择激光器芯片激射，并确定所述选择激光器芯片开始激射的电流作为所述选择激光器芯片的阈值电流；或
(E2)将电流提供给所述选择激光器芯片以导致所述选择激光器芯片激射，并确定所述输出束的波长。
15.如权利要求13或14中的任一项所述的过程，其特征在于，所述步骤（E）的特征进一步在于以下步骤：
自动转动所述衍射单元以使所述衍射光栅转动通过光栅角范围，并在选择光栅角处执行步骤（E1）或步骤（E2）中的一个或多个。
16.如权利要求15所述的过程，其特征在于，步骤（E）的特征进一步在于：
以增量方式转动所述衍射单元，以使衍射闪耀镜以增量方式转动通过多个选择光栅角θ1到θn；以及
在衍射角θ1到θn中的每一个处：
(1)将电流提供给所述选择激光器芯片，导致所述选择激光器芯片激射；以及
(2)利用激光分析仪确定每个衍射角下的输出束的波长。
17.如权利要求13到16中的任一项所述的过程，其特征在于，在步骤（E）之后，所述过程还包括以下步骤：
(F)相对于所述衍射单元移动所述激光器条，使得所述激光器条上的下一个选择激光器芯片与所述衍射单元对准，并且对于所述下一个选择激光器芯片执行步骤（E）；以及
(G)重复步骤（F）直到(a)激光器条上的所有激光器芯片已被表征或(b)所述激光器条上的激光器芯片的选择组已被表征。
18.如权利要求13到16中的任一项所述的过程，其特征在于，通过将激光器条安装在卡盘中来执行步骤(C)，所述卡盘安装在计算机控制的平移台上。
19.如权利要求15到18中的任一项所述的过程，其特征在于，在步骤（E）中所述衍射单元围绕旋转轴转动，并且通过定向衍射单元上的衍射光栅使得在衍射光栅的表面中形成的多个平行衍射沟槽被定向成平行于所述旋转轴来将所述衍射单元预对准。
20.如权利要求19所述的过程，其特征在于，通过将由所述衍射光栅的表面限定的平面与所述操纵镜的表面限定的平面的交线所限定的轴定向成与所述旋转轴重合，来将所述衍射单元预对准。
21.如权利要求19或20中的任一项所述的过程，其特征在于，还包括具有透镜轴的准直透镜，所述准直透镜位于所述卡盘与所述衍射光栅之间，使得由保持在所述卡盘上的激光器条中的芯片发出的光束被准直成经准直束中，所述经准直束与所述衍射光栅的表面相交；以及
其中所述衍射单元与所述定位台预对准，使得所述激光器中的选择激光器芯片与所述准直透镜和所述EC模块对准。
22.如权利要求13到21中的任一项所述的过程，其特征在于，步骤(C)包括：
将选择激光器芯片与所述衍射光栅单元粗略地预对准；
在特定移动范围内自动地水平或垂直地平移所述卡盘或衍射光栅单元中的一个；
监测所述输出束的功率，并标识当所述输出束的功率最大时所述定位台的位置作为所述选择激光器芯片的对准位置。
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