CN103576068A - 通用半导体激光器电导数测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明的通用半导体激光器电导数测试仪，属于半导体激光器可靠性测试的技术领域。结构包括计算机（41）、数据采集卡（42）、被测激光器（29）、光电探测器（30）、脉冲压控电流源（43）和采样保持器（46）。数据采集卡（42）通过模拟输出端与数字I/O口与脉冲压控电流源（43）连接；脉冲压控电流源（43）为被测激光器（29）提供驱动电流；数据采集卡（42）的两路模拟输入端分别测量被测激光器（29）的结电压和通过采样保持电路（46）测量被测激光器（29）的光功率。本发明能测量连续半导体激光器、脉冲半导体激光器和激光器芯片的电导数，通用性强；未使用锁相放大器、正弦信号发生器的设备，结构简单而成本低。

Description

通用半导体激光器电导数测试仪

技术领域

本发明涉及半导体激光器可靠性的测试，特别涉及一种广泛适用于连续半导体激光器、脉冲半导体激光器以及激光器裸芯片的通用电导数测试仪，属于半导体激光器性能测试技术领域。

背景技术

电导数方法是一种评价半导体激光器可靠性的有效手段。电导数（V～I关系的一阶导数与电流I的乘积，即IdV/dI）可以用来研究半导体激光器结特征参量、结电压饱和特性、并联漏电通道、载流子泄漏、串联线性电阻和非线性电阻（欧姆接触质量）、电流扩展、非辐射复合中心等与器件可靠性密切相关的因素。根据电导数曲线和参数不但可以预测器件寿命，还能对器件进行质量评价和可靠性筛选。

与本发明有关的已知技术是申请号为95107991.3的一件中国发明专利申请，所公开了一项名为“半导体激光器可靠性检测分析方法及其装置”的技术方案。见图1所示，该发明的半导体激光器可靠性检测分析仪的结构，主要包括有微机1、主机2、样品箱3三个部分。其中主机2中有数据采集板4、电压-电流变换电路7以及单片机控温系统9；样品箱3内有样品架、电流-电压变换电路10、光电探测器30等。所说的数据采集板4包含有数模转换器5和模数转换器6，插在微机1扩展槽上，数模转换器5跟电压-电流变换电路7电连接，由微机1软件控制，使数模转换器5输出的电压信号经电压-电流变换电路7变为随时间线性变换的驱动电流I加载被测器件29上；所说的光电探测器30将被测器件29输出的光电流，经电流-电压变换电路10转换为电压信号输出给模数转换器6，完成对P-I曲线及dP/dI～I曲线的测试；被检测器件29给出的结电压信号输出给模数转换器6，完成伏安特性曲线V～I曲线的测量；主机2内还装有锁相放大器8和信号源11，锁相放大器8的输入端跟信号源11及被检测器件29电接通，输出端跟模数转换器6电接通；信号源11输出的正弦信号以恒流方式调制由电压-电流变换器电路7输出给被测器件29的驱动电流I，经锁相放大器8检出基频分量dV/dI，经模数转换器6送入微机1，由软件完成dV/dI与I的乘积，得到电导数曲线。

概况地说，该发明中电导数曲线的测试采用以下方法：由微机控制电压-电流转换电路给被测激光器注入驱动电流I，同时用一个正弦信号对驱动电流I进行调制，经锁相放大器检出其基频分量得到dV/dI，再经模数转换后与电流I进行软件相乘，得到IdV/dI～I曲线。上述已知技术采用正弦信号源、锁相放大器等单元获取电导数，结构复杂、成本高，而且只能测量连续半导体激光器（即CW器件），不能测量脉冲激光器（即QCW器件）以及只能工作在窄脉冲模式下的未封装的激光器裸片，应用局限性很大。QCW器件以及激光器裸片由于热的原因，仅能工作在占空比很低且脉冲宽度很窄的条件下，不能加注连续工作电流，因此无法采用上述已知技术之测试系统对其进行电导数测试。

发明内容

为了克服已知技术系统复杂成本高且不能测试脉冲半导体激光器和激光器芯片的缺点，本发明采用数字技术实现电导数测量，通过数值微分获取电导数曲线，省去了正弦信号发生器、锁相放大器等设备，而且引入脉冲压控电流源，通过产生脉冲步进电流的方法可以测试仅能工作在脉冲条件下的脉冲激光器和激光器芯片。

本发明提供了一种适用于连续激光器、脉冲激光器以及激光器芯片的通用电导数测试仪，该测试仪系统简洁成本低，能很好地克服已知技术之电导数测试系统无法测量脉冲激光器和激光器裸芯片的问题，使电导数方法可安全、准确、高效地应用于各种半导体激光器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下。

通用半导体激光器电导数测试仪，该测试仪包括：计算机、数据采集卡、脉冲压控电流源、被测激光器、光电探测器、采样保持器。计算机通过数据总线控制数据采集卡，数据采集卡具有模拟输入（即ADC）、模拟输出（即DAC）、数字输入输出（即数字I/O）功能；脉冲压控电流源与数据采集卡的模拟输出端和数字I/O口连接，可给被测激光器注入矩形脉冲驱动电流，电流幅度和脉冲宽度可控；被测激光器的结电压由数据采集卡的模拟输入端测量，光功率由光电探测器转换为电信号，再经采样保持器，由数据采集卡的模拟输入端测量。这样，给激光器提供脉冲步进扫描电流，即可获得不同电流下的结电压、光功率值，也就是数字化的V-I、P-I曲线，再经数字微分等运算即可获得电导数曲线IdV/dI～I。

根据图3所示的脉冲步进扫描电流波形图，测量脉冲激光器的电导数时，脉冲激光器的结电压和光功率无法用数据采集卡直接进行模数转换，此时需要在激光器与数据采集卡之间，以及探测器和数据采集卡之间增加两路采样保持器，用来对脉冲电流持续期间激光器的结电压和光功率进行采样保持并由数据采集卡进行模数转换。即，所述采样保持器具有两路以上采样保持通道，可同时采样被测激光器的结电压和峰值光功率。所述数据采集卡具有至少2路模拟输入通道，可同时测量被测激光器的结电压和峰值光功率。

本发明中的数据采集卡42可以采用目前市面上多款通用数据采集卡，如NI公司的PCI6014；本发明对数据采集卡的要求是具有至少1路模拟输出通道、2路模拟输入通道和2路数字I/O，其中模拟输入输出通道的分辨率为16bit。

本发明的脉冲压控电流源43可以采用图5所示的结构，是在普通压控电流源（即电压-电流转换电流）的基础上加上通用模拟开关构成，通过控制电压的大小调节脉冲电流峰值的大小，通过控制脉冲的宽度来调节输出脉冲电流的脉宽。

本发明的具体技术方案如下。

一种通用半导体激光器电导数测试仪，结构包括计算机41、数据采集卡42、被测激光器29、光电探测器30；计算机41与数据采集卡42通过数据连接；其特征在于，结构还有脉冲压控电流源43和采样保持器46；数据采集卡42通过模拟输出端与数字I/O口与脉冲压控电流源43连接；脉冲压控电流源43的输出端连接被测激光器29，为被测激光器29提供驱动电流；同时，被测激光器29与数据采集卡42的一路模拟输入端连接，由此测量被测激光器29的结电压；被测激光器29的输出光功率由光电探测器30转换为电信号，经采样保持器46后连接至数据采集卡42的另一路模拟输入端，由此测量被测激光器29的光功率。

所述的数据采集卡42通过一路模拟输出端和一路数字I/O口与脉冲压控电流源43连接，由所述数据采集卡42的一路模拟输出端产生的模拟电压值控制脉冲压控电流源43的输出电流值；由所述数据采集卡42的一路数字I/O口产生的脉冲信号宽度控制脉冲压控电流源43的输出脉冲宽度；数据采集卡42的另一路数字I/O口，用于给采样保持器46提供触发信号。

所述的数据采集卡42，具有至少1路模拟输出通道，用于给脉冲压控电流源43提供输入电压进而调节被测激光器29的驱动电流。

所述采样保持器46具有两路以上采样保持通道，可同时采样被测激光器29的结电压和峰值光功率。

所述的采样保持器46，采用PKD01芯片外接1000p的电容C构成；PKD01芯片的2脚、7脚分别接±12V直流电源，6脚是被测电压信号输入端，3脚为采样保持输出端，1脚为采样控制端。

本发明的有益效果是：本测试仪中的脉冲压控电流源具有窄脉冲步进扫描功能，可产生低占空比的矩形窄电流脉冲用于脉冲激光器或激光器裸芯片的驱动，并能通过高速采样保持电路测量激光器的结电压和峰值光功率，实现对脉冲激光器以及激光器裸芯片V-I、P-I特性的测量，进而计算其电导数曲线和电导数参数、研究其可靠性。本测试仪采用数字技术实现电导数计算，不含正弦信号发生器、锁相放大器等复杂设备，系统简洁而成本低。需要说明的是，脉冲激光器和激光器裸片由于热的原因而无法工作在连续状态，但连续激光器完全可以工作在脉冲方式下，因而本测试仪同样适用于连续激光器。

与已知技术相比，本发明采用现有设备的重新组合，采用脉冲压控电流源和高速采样保持电路，不仅能测量连续半导体激光器的电导数，而且能测量脉冲半导体激光器和激光器芯片的电导数，通用性强。

与已知技术相比，本发明采用数字技术实现电导数计算，不含正弦信号发生器、锁相放大器等复杂设备，系统简洁而成本低。

附图说明

图1是已知技术电导数测试装置示意图。

图2是本发明通用半导体激光器电导数测试仪的结构示意图。

图3是脉冲步进扫描电流示意图。

图4是本发明采样保持电路的原理图。

图5是本发明脉冲压控电流源43的结构框图。

图6是本发明的测得的半导体激光器的电导数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1本发明的整体结构

如图2所示，通用半导体激光器电导数测试仪，该测试仪包括：计算机41，数据采集卡42，脉冲压控电流源43、被测激光器29、光电探测器30、采样保持器46。计算机41通过数据总线控制数据采集卡42，数据采集卡42具有模拟输入（即ADC）、模拟输出（即DAC）、数字输入输出（即数字I/O）功能；脉冲压控电流源43与数据采集卡42的模拟输出端和数字I/O口连接，可给被测激光器29注入矩形脉冲驱动电流，电流幅度和脉冲宽度可控；被测激光器29的结电压由数据采集卡42的模拟输入端测量，光功率由光电探测器30转换为电信号，再经采样保持器46，由数据采集卡42的模拟输入端测量。

所述数据采集卡42，如前述具有至少2路模拟输入通道（模拟输入端），可同时测量被测激光器29的结电压和峰值光功率。

所述采样保持器46具有两路以上采样保持通道，可同时采样被测激光器29的结电压和峰值光功率。

本发明工作时，将被测激光器29接在脉冲压控电流源43的输出端上，脉冲压控电流源43在计算机41和数据采集卡42的控制下产生如图3所示的脉冲步进扫描电流；与此同时，在每个脉冲持续期间，计算机41和数据采集卡42通过采样保持器46测量当前驱动电流下的被测激光器29的结电压和光功率，由此获得数字化的V-I、P-I特性。计算机41进一步通过数值微分、曲线拟合等数值分析方法，计算被测激光器29的电导数曲线和电导数参数，进而实现可靠性分析。

实施例2本发明的采样保持电路

图4给出1路采样保持电路的原理图，该电路采用PKD01芯片，外接1000p的电容C构成，PKD01芯片的2脚、7脚分别接±12V直流电源、6脚是被测电压信号输入端、3脚为采样保持输出端、1脚为采样控制端。每次检测时，先使1脚采样控制端信号为高电平，清除上次的采样信号；然后输出步进扫描脉冲电流，适当延时后使1脚采样控制端信号变低，完成采样保持；最后由模数转换器读取第3脚采样保持输出端的电压值。

实施例3本发明的通用半导体激光器电导数测试仪的使用举例

对一批VCSEL脉冲激光器（被测激光器29）进行电导数测试以研究其可靠性。该批VCSEL器件额定电流2A，峰值光功率小于1W，电流脉冲宽度不超过200us，占空比不超过5%。为此，本测试仪将脉冲压控电流源43的主要参数设置如下：最大电流2A，输出频率250Hz，占空比5%，电流步进值4mA，即扫描点数为500个点。另外，将光电探测器30的量程置于1W档。通过计算机41启动测试后，脉冲压控电流源43每4ms产生一个200us的矩形电流脉冲，第一个脉冲幅度为4mA，第二个脉冲幅度为8mA，第三个脉冲幅度为12mA，以此类推，第500个脉冲的幅度为2000mA；与此同时，在每个脉冲持续的200us期间，由数据采集卡42产生适当的同步信号去触发采样保持器46，对被测激光器29的结电压和峰值光功率进行采样保持并由数据采集卡42进行模数转换，由此可获得500个电流值对应的激光器结电压和光功率，即数字化的V-I、P-I特性，进而由计算机41通过数值微分等方法计算电导数曲线IdV/dI～I和电导数参数，分析器件可靠性等。

典型半导体激光器的电导数曲线如图6所示，由电导数曲线可以给出器件的阈值电流Ith（曲线下沉位置），等效串联电阻Rs（阈值前曲线斜率），结的特征参量m（由mkT/q计算出，其中k为玻尔兹曼常数、T为测试温度、q为电子电量），阈值后曲线延长线在纵轴上的截距b，结电压饱和特性参数h（曲线在阈值处的下沉高度）等参数，这些参数被认为与可靠性密切相关，可作为可靠性检测的判据。这样，与电老化试验相比，电导数技术就是一种快速、无损的检测方法。

对应不同特性的脉冲激光器，可适当设置脉冲压控电流源43的工作参数，并调整光电探测器30的工作量程；对应连续激光器，脉冲宽度的设置范围很宽，原则上只要脉冲压控电流源43的输出波形不失真即可。

Claims (5)

1.一种通用半导体激光器电导数测试仪，结构包括计算机（41）、数据采集卡（42）、被测激光器（29）、光电探测器（30）；计算机（41）与数据采集卡（42）通过数据连接；其特征在于，结构还有脉冲压控电流源（43）和采样保持器（46）；数据采集卡（42）通过模拟输出端与数字I/O口与脉冲压控电流源（43）连接；脉冲压控电流源（43）的输出端连接被测激光器（29），为被测激光器（29）提供驱动电流；同时，被测激光器（29）与数据采集卡（42）的一路模拟输入端连接，由此测量被测激光器（29）的结电压；被测激光器（29）的输出光功率由光电探测器（30）转换为电信号，经采样保持器（46）后连接至数据采集卡（42）的另一路模拟输入端，由此测量被测激光器（29）的光功率。

2.如权利要求1所述的通用半导体激光器电导数测试仪，其特征在于，所述的数据采集卡（42）通过一路模拟输出端和一路数字I/O口与脉冲压控电流源（43）连接，由所述数据采集卡（42）的模拟输出端产生的模拟电压值控制脉冲压控电流源（43）的输出电流值；由所述数据采集卡（42）的一路数字I/O口产生的脉冲信号宽度控制脉冲压控电流源（43）的输出脉冲宽度；数据采集卡（42）的另一路数字I/O口，用于给采样保持器（46）提供触发信号。

3.如权利要求1或2所述的通用半导体激光器电导数测试仪，其特征在于，所述的数据采集卡（42），具有至少1路模拟输出通道，用于给脉冲压控电流源（43）提供输入电压进而调节被测激光器（29）的驱动电流。

4.如权利要求1所述的通用半导体激光器电导数测试仪，其特征在于，所述采样保持器（46）具有两路以上采样保持通道，同时采样被测激光器（29）的结电压和峰值光功率。

5.如权利要求1或4所述的通用半导体激光器电导数测试仪，其特征在于，所述的采样保持器（46），采用PKD01芯片外接1000p的电容C构成；PKD01芯片的2脚、7脚分别接±12V直流电源，6脚是被测电压信号输入端，3脚为采样保持输出端，1脚为采样控制端。

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