CN106441806A - 半导体激光器退化测试与寿命预测实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体激光器退化测试与寿命预测实验平台，包括计算机分析系统、半导体激光器驱动控制系统和数据传输系统。所述计算机分析系统通过数据传输系统接收半导体激光器的状态数据并做计算和分析，实现曲线绘制、退化测试和寿命预测等功能；所述半导体激光器驱动控制系统通过数据传输系统接收并解析参数设置和模式控制数据包，对半导体激光器调制电流、偏置电流、光功率和温度的控制。本发明在不影响半导体激光器正常调制工作的前提下，能够对其退化表征参数进行测试，并能采集工作中的电流、电压、温度应力进行寿命预测，实验平台能够用于半导体激光器出厂测试、光电子器件特性和激光通信的实验和教学科研。

Description

半导体激光器退化测试与寿命预测实验平台

技术领域

本发明涉及一种一体化测试与分析平台；尤其涉及半导体激光器退化测试与寿命预测实验平台。

背景技术

半导体激光器广泛应用于激光通信、材料加工、医疗和军事等深刻影响国民经济和国防建设的领域。作为光学设备核心部件，半导体激光器的退化和寿命是设计和使用过程中重点考虑的问题之一。在设计和生产阶段，主要通过可靠性评价半导体激光器性能，产品生产出来后其性能也相应确定；但在使用阶段，随着半导体激光器使用条件和使用环境的不同，其退化机理和寿命也相对出厂平均标准发生改变。因此，如果能设计一套系统能够在不影响半导体激光器正常调制工作的条件下对退化进行测试和寿命进行预测，这样可以提高半导体激光器使用过程中的智能化水平，还能为出厂测试和寿命评估以及科研、教学提供很大的便利。

经对现有技术的文献检索发现，半导体激光器退化机理主要包括有源区缺陷生长、腔面氧化和电极退化等方面。在不影响半导体激光器工作的条件下，退化位置和程度难以被直接观察，测量退化表征参数是解决这个问题的重要途径。阈值电流和I-P曲线斜率是两个激光器退化重要的表征参数，但是这两个参数的测试相对困难，为此论文《多功能半导体激光器参数测试系统的设计与实现》(汤方毅，2012年)设计了一套半导体激光器参数测试系统，该测试系统利用单片机控制半导体激光器电流从零增大到正常工作电流并实时发送光功率和其他参数到计算机进行绘图自动求取这两个退化参数。半导体激光器退化到一定的门限后会发生失效从而达到其使用寿命，半导体激光器退化的速率受到工作电流、温度、光功率等因素的影响，论文《Life prediction of 808nm high power semiconductorlaser by accelerated life test of constant current stress》(基于恒流加速寿命实验的808nm半导体激光器寿命预测研究，2015年)提出了一种基于加速寿命实验的半导体激光器寿命预测方法，该方法利用在不同电流条件下加速寿命实验数据递推半导体激光器的各种电流下的寿命值。

现有退化测试平台和寿命预测的方法主要存在以下不足：1)参数测量系统在对退化参数进行测试时，半导体激光器处于非正常工作状态，这在一定程度上影响了整体的测试效果；2)寿命预测采用加速寿命实验数据进行拟合分析，这种预测方法主要针对单一电流工作条件的半导体激光器，而实际工作中的半导体激光器可能受到交变电流和环境温度应力的作用，不适合采用这种方法进行寿命预测；3)寿命预测方法与退化机理缺乏有效联系，也没有专门针对退化参数测试和使用寿命预测算法的平台。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种专用于半导体激光器退化测试和寿命预测的实验平台，使其在不影响半导体激光器正常调制工作的前提下，能够对其退化表征参数进行测试，并能采集工作中的电流、电压、温度应力进行寿命预测，实验平台能够用于半导体激光器出厂测试、光电子器件特性和激光通信的实验和教学科研。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括计算机分析系统、数据传输系统和半导体激光器驱动控制系统三部分组成，计算机分析系统通过数据传输系统发送参数设置和模式控制数据到半导体激光器驱动控制系统，半导体激光器驱动控制系统通过数据传输系统再将状态数据发送回计算机分析系统，从而实现了半导体激光器的实时控制和测试。其中：所述计算机分析系统提供与数据传输系统的接口，将参数设置和模式控制数据合成数据包进行发送，另外还能接收半导体激光器的状态数据并做计算和分析，实现曲线绘制、退化测试和寿命预测三部分功能；所述数据传输系统主要实现数据的传输功能，根据不同的通信要求具备无线和有线、USB和232接口等多种方式；所述半导体激光器驱动控制系统为该平台的终端，主要包括传感器(主要是电流和温度传感器)和半导体激光器驱动电路。传感器测量半导体激光器的状态参数合成数据包向外发送，并能解析发送来的参数设置和模式控制数据包，输出为对半导体激光器调制电流、偏置电流、光功率和温度的控制。

所述计算机分析系统是实验平台的分析中心，它提供界面交互式的控制和分析系统。针对平台退化测试和寿命预测的主要功能，所述计算机分析系统主要分为两大模块-控制模块和分析模块。所述控制模块主要包括两种模式：1)参数设置；2)模式控制。参数设置模式主要对半导体激光器工作温度T_o、偏置电流I_bias、调制电流I_mod和光功率P进行设置；模式控制主要是针对基本参数测试、加速退化、退化测试和寿命预测的功能，设置不同的参数设定方案和界面方案。所述分析模块主要包括三种模式：1)曲线绘制模式；2)退化测试模式；3)寿命预测模式。曲线绘制模式是配合直观的激光器参数测试和特性分析而设计，主要包括半导体激光器I-P曲线、I-V曲线和退化曲线三类，曲线的绘制是结合实验平台的实时控制特性进行实时的绘制；退化测试模式是针对半导体激光器光功率P、阈值电流I_th和斜率效率η_k的测试，通过测试调制模式下的半导体激光器光功率(P₀/P₁，逻辑0和1下的光功率)，计算表征退化的阈值电流I_th和斜率效率η_k，此外把温度T和偏置电流I_bias作为应力加速半导体激光器退化并实时测试退化表征参数，作为退化机理研究的辅助工具；寿命预测模式主要是在半导体激光器全寿命周期对其所受到的温度T、调制电流I_mod、偏置电流I_bias应力累积损伤进行监测，结合不同的退化机理，将不同参数作为表征参数，结合退化模型，对实际工作的半导体激光器进行寿命的预测。

所述数据传输系统主要包括传输介质、传输接口和传输协议三部分，传输介质根据安装环境和通信速率要求具有无线和有线两种方式，无线方式主要用于安装环境不好不便于接线或实验平台需要经常移动的情况下，无线方式限制于中低速数据传输，有线方式反之，主要用于高速数据传输。传输接口在计算机分析系统和半导体激光器驱动控制系统中都有，依赖于传输介质的不同主要包括USB接口(有线方式)和232接口(无线方式)；传输协议是数据传输的规则，主要包括数据包的格式、校验方式和传输方式等。所述数据传输系统主要进行实现计算机分析系统和半导体激光器驱动控制系统的数据传输。

所述半导体激光器驱动控制系统由传感器模块、单片机模块、驱动电路模块、半导体激光器与光电二极管模块、温控与夹具模块、电源模块等组成。传感器模块主要包括电流传感器，电压传感器和温度传感器，主要测量半导体激光器的各项工作参数，包括偏置电流I_bias、调制电流I_mod、端电压V_th、光功率P、温度T；单片机模块将传感器获取的参数数据按照设计的传输协议打包后传输给计算机分析系统，并能接收计算机分析系统的参数设置和模式控制数据作用到驱动电路模块和温控模块；驱动电路模块主要包含激光器恒功率控制电路、直流偏置电路、调制电路和相应的保护电路组成，是半导体激光器驱动控制系统的主要执行机构；半导体激光器和光电二极管是本系统的作用对象，也是开展研究的重要对象，半导体激光器发出的光经过光电二极管转换为光电流从而达到测试光功率的目的；温控与夹具模块主要对半导体激光器模块进行温度测试与控制；电源模块负责本系统中其它需要电源的模块的稳定供电。基于以上思路，本发明半导体激光器驱动控制系统从外观上看是电路板和夹具组成的立方体。

本发明可以取得以下有益效果：

1.专用性强，用途广泛。本发明主要针对半导体激光器退化和寿命预测，具备多种层次的用途，符合各种用户的需要。首先本发明提供半导体激光器基本参数的测试和图形绘制功能，提供光电子学科通信实验和激光器特性认知实验的教学和实验平台；其次本发明针对退化测试进行了改良，在不影响正常工作的前提下测试退化表征参数，同时提供加速退化和退化曲线绘制等功能，可以作为光电子器件出厂测试和科研用途；最后本发明提供基于寿命消耗监控的在线寿命预测方法，能够将半导体激光器全寿命周期中受到的各种应力损伤进行累计，为使用者评估半导体激光器寿命和更换器件提供重要依据。

2.成本低，设备体积小。由于采用的是分立器件搭建的PCB电路板，无需增加外部的测试板，在半导体激光器正常工作时开展主动的测试，节约了匹配外部设备，购买专用工控机的额外费用，同时节省了设备空间。并且本发明的计算机分析系统对操作系统要求低，可以在任意windows系统电脑上运行。

综上所述，本发明的中心是计算机分析系统，在退化测试和寿命预测中，用自动软件代替了人手操作、用正常工作下的主动测试代替了特定状态下的被动测试、用应力累积损伤在线进行寿命预测代替了离线的加速寿命数据拟合方法，有效的将软件分析和嵌入式测试相结合，节约了大量的人力物力和实验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明总体设计示意图；

图2是本发明计算机分析系统工作流程图；

图3是本发明单片机模块工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例采用本发明所述的实验平台对830nm同轴型半导体激光器进行退化机理研究与寿命预测实验，实验平台如图1所示，由三部分组成：计算机分析系统、数据传输系统和半导体激光器驱动控制系统。其中计算机分析系统是本发明的核心部分，提供退化测试和寿命预测方法，半导体激光器驱动控制系统是本发明的执行机构和实验对象，数据传输系统是数据传输的通道，三者紧密结合，缺一不可。

计算机分析系统如图1左侧框所示，主要包括控制模块和分析模块。控制模块主要完成对光功率、温度、偏置电流、调制电流的参数设置和基本参数测试模式、加速退化模式、退化测试模式、寿命预测模式的模式控制，并将这两部分的数据按照自定义的通信协议合成数据包通过数据传输系统传递到半导体激光器驱动控制系统。分析模块通过数据传输系统接收半导体激光器驱动控制系统传来的状态信息数据包并按照通信协议将其解析为不同状态值，该模块主要完成曲线绘制、退化测试和寿命预测三部分功能，曲线绘制可以实现I-P曲线、I-V曲线、退化曲线绘制；退化测试主要是测试退化表征参数阈值电流I_th和斜率效率η_k以及与其相互配合的加速退化功能；寿命预测主要是将半导体激光器工作中受到的温度、电流应力按照一定算法转化为累计损伤，以及基于损伤进行寿命预测。

计算机分析系统基于GUI进行开发，具备操作界面和显示界面，前者提供用户进行参数设置、模式控制、算法选择等操作，后者是显示半导体激光器的状态信息和控制信息。计算机分析系统后台软件流程如图2所示，软件运行后读取当前现显示界面的控制信息，接收和解析传来的半导体激光器状态数据包然后对数据进行处理。根据功能不同，接收的数据将被用于参数计算、退化测试、寿命预测，软件最终将得到的结果即状态信息通过显示界面显示出来。

计算机分析系统的退化测试算法能够在不影响半导体激光器正常调制工作条件下，测试退化表征参数阈值电流I_th和斜率效率η_k。本实施例中根据测试的状态参数，通过消光比EXT计算公式(1)、(2)计算阈值电流I_th和斜率效率η_k：

其中I_mod为调制电流、I_bias为偏置电流；调制下的光功率P₀和P₁(逻辑“0”下的光功率P₀和逻辑“1”下的光功率P₁)；I-P曲线上的坐标为(I_bias-1/2I_mod，P₀)和(I_bias+1/2I_mod，P₁)。

计算机分析系统的寿命预测算法能够将半导体激光器全寿命周期中受到的温度和电流应力转化累计损伤，利用寿命消耗监控的方法实现寿命预测，结合本发明的实验平台其主要步骤包括：1)退化机理研究，找到影响半导体激光器退化最主要的参数即温度T和工作电流I_op(恒流条件下为偏置电流I_bias，调制条件下为偏置电流I_bias和调制电流I_mod的叠加)，对应力进行等级划分；2)根据半导体激光器的退化失效模型，根据不同的失效机理以阈值电流I_th和斜率效率η_k作为表征参数进行失效模型的参数估计；3)利用加速退化的方式，利用传统的寿命预测方法评估各应力等级下半导体激光器寿命；4)采集半导体激光器工作受到的温度和电流应力时间历程，利用miner准则转换为累计损伤，最后结合退化模型对实际工作中的半导体激光器进行寿命预测。

数据传输系统如图1中间框所示，包括传输接口、传输协议和传输介质三部分，主要完成数据传输的功能。传输接口在计算机分析系统上主要是采用USB接口，在半导体激光器驱动控制系统上根据安装条件和速率要求选择无线和有线接口方式，其中无线采用232接口，有线采用USB接口。本实施例中采用USB接口。传输协议规定了数据包的基本格式，包括数据位、校验位、传输方式等信息。传输介质根据传输接口的不同主要包括电缆线连接、蓝牙连接两种方式。本实施例中采用蓝牙连接。

半导体激光器驱动控制系统如图1右框所示，主要完成数据接收和对半导体激光器的控制功能，包括单片机模块，温控电路模块、偏置电路模块、调制电路模块和参数测试电路模块。单片机模块是数据传输和控制的核心，其软件流程如图3所示，单片机上电后初始化接口配置并利用AD转换采集半导体激光器的各项参数，然后将参数转换为数据包通过数据传输系统上传到计算机分析系统，同时接受控制信息数据转化为对半导体激光器的控制，包括为温度、偏置电流、调制电流和光功率的控制，这些参数的控制通过相应的电路进行实现。温控电路模块采用半导体制冷器和热电陶瓷相配合的方式可以实现大范围的温度控制，以PWM(脉宽调制)信号驱动H桥电路实现温度的控制，并采集温度信号作为反馈实现温度稳定控制。偏置电路模块和调制电路模块通过集成芯片实现，可以实现电路体积最小化同时具备良好的稳定性和精度。参数测试电路模块是通过电压跟随器、热敏电阻、电流传感器配合相应的信号调理电路进行实现。

半导体激光器驱动控制系统温度控制采用积分分离的PID算法进行实现，其基本思想就是通过热敏电阻采集的温度信号作为反馈，以PWM的占空比作为控制量，采用经典的PID算法进行控制。功率控制同样采用PID算法，利用驱动电压为控制量，光电二极管的输出作为反馈形成反馈回路。

本实施例具体工作过程如下：

第1步：组装实验平台，连接各个分系统；首先将实验平台的各个模块连接起来，将待研究的同轴半导体激光器固定在夹具上；打开计算机分析系统软件界面，点击连接将分系统的数据通道进行连接；

第2步：选择实验模式，设置控制参数；在计算机分析系统软件界面上选择退化测试模式，设置温度T、光功率P、偏置电流I_bias和调制电流I_mod；

第3步：观察退化表征参数的变化趋势，选择加速退化方式；半导体激光器处于工作状态下，观察阈值电流I_th和斜率效率η_k的变化趋势，如果退化较慢可以选择加速退化，并设置相应的加速退化应力；

第4步：根据退化表征参数的变化研究半导体激光器的退化机理；结合退化失效的理论和物理结构，基于实验的数据分析退化机理；

第5步：重复第2步到第4步的过程，根据应力等级分类，以不同的加速退化应力测试半导体激光器寿命；当测试遍历所有的应力等级后，进入第6步；

第6步：根据寿命消耗监控的理论，以第2步～第5步的数据为基础得到相应的预测模型参数，监测半导体激光器工作时间历程的状态参数以实现寿命预测。

通过本发明的实验平台，可以灵活的针对不同类型的激光器，针对不同类型的用途选择不同的功能模块，实现包括半导体激光器特性测试、半导体激光器退化测试、半导体激光器寿命预测等功能，具备智能化、用途灵活的特点，可以广泛用于出厂测试和科研教学中理论研究与验证。

Claims (1)

1.一种半导体激光器退化测试与寿命预测实验平台，包括计算机分析系统、半导体激光器驱动控制系统和数据传输系统；

所述计算机分析系统包括控制模块、分析模块；所述控制模块包括两种模式：参数设置、模式控制；所述参数设置对半导体激光器工作温度T_o、偏置电流I_bias、调制电流I_mod和光功率P进行设置；所述模式控制针对基本参数测试、加速退化、退化测试和寿命预测四个功能，设置不同的参数设定方案和界面方案；所述分析模块包括三种模式：曲线绘制模式、退化测试模式、寿命预测模式；所述曲线绘制模式用于激光器参数测试和特性分析，包括半导体激光器I-P曲线、I-V曲线和退化曲线的实时绘制；退化测试模式通过测试调制模式下的逻辑0和1的半导体激光器光功率P₀/P₁，计算表征退化的阈值电流I_th和斜率效率η_k，并把温度T和偏置电流I_bias作为应力加速半导体激光器退化并实时测试退化表征参数；寿命预测模式通过在半导体激光器全寿命周期内对半导体激光器所受到的温度T、调制电流I_mod、偏置电流I_bias应力的累积损伤进行监测，结合退化模型对半导体激光器进行寿命的预测；

所述半导体激光器驱动控制系统由传感器模块、单片机模块、驱动电路模块、半导体激光器与光电二极管模块、温控与夹具模块、电源模块组成；所述传感器模块包括电流传感器、电压传感器和温度传感器，测量半导体激光器的各项工作参数，包括偏置电流I_bias、调制电流I_mod、端电压V_th、光功率P、温度T；所述单片机模块将传感器获取的参数数据按照设计的传输协议打包后传输给计算机分析系统，并能接收计算机分析系统的参数设置和模式控制数据作用到驱动电路模块和温控模块；所述驱动电路模块包括激光器恒功率控制电路、直流偏置电路、调制电路和保护电路；所述半导体激光器和光电二极管模块将半导体激光器发出的光经过光电二极管转换为光电流；温控与夹具模块对半导体激光器模块进行温度测试与控制；电源模块对需要电源的模块的稳定供电；

所述数据传输系统包括传输介质、传输接口和传输协议；所述传输介质具有无线和有线两种方式；所述传输接口包括USB接口和232接口；所述传输协议包括数据包的格式、校验方式和传输方式；所述数据传输系统主要进行实现计算机分析系统和半导体激光器驱动控制系统的数据传输；

所述计算机分析系统通过所述数据传输系统发送参数设置和模式控制数据到所述半导体激光器驱动控制系统；所述半导体激光器驱动控制系统通过所述数据传输系统再将状态数据发送回所述计算机分析系统，实现半导体激光器的实时控制和测试。