CN112098786A - 适用于光通信发光器件的在线综合测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光通信发光器件的在线综合测试系统和方法，其系统包括：LED/LD负载电路板、电参数发生及测试装置、交流小信号发生装置、温度控制及探测装置、光信号探测装置、LED/LD调制特性测试系统中央监控及处理计算机。本发明不仅仅可测试其光学特性，而且可以原位进行器件的电学特性、热学特性和交流小信号下器件的频率响应特性随器件结温的变化进行监控。

Description

适用于光通信发光器件的在线综合测试系统及方法

技术领域

本发明属于半导体发光器件检测技术领域，尤其涉及一种适用于光通信发光器件的在线综合测试系统及方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种基于半导体PN结的固体发光器件。半导体PN结在外加电场的情况下，通过注入电子空穴复合发光，直接将电能转换成光能。

LED最早于1907年被英国无线电工程师Henry Joseph Round意外发明。60年代，可见光波段的LED作为半导体激光器研制的副产品应运而生，从此拉开研究LED的序幕。随后，经过约半个世纪的发展，发光二极管的材料经历了SiC、III-V族化合物等。90年代中期，随着GaN外延材料、P型掺杂、芯片结构设计等技术难题的不断突破，大量创新技术的应用，比如多量子阱结构、图形衬底、ITO透明导电层、表面粗化、电流阻挡层等等，促使LED的发光效率不断获得突破，使得以氮化物LED为代表的蓝光、白光以及紫外发光器件得到了突飞猛进的发展，在日常生活中也得到了越来越广泛的应用。

在LED大范围的应用普及的同时，基于LED的诸多智能控制功能也得以逐步实现。其中，最引人注目的当属可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)。中村修二曾在2015年预言，LED的下一个杀手锏就是光通信。与传统照明设备不同，氮化物LED除效率远超其他光源之外，还可以以人眼察觉不到的速率进行信号调制，调节速率甚至达纳秒量级；另外，基于AlInGaN材料体系带隙连续可调的特性，其中心波长亦可根据载频需要进行选择，从而实现波分复用(Wavelength Division Multiplexer，WDM)。因此，基于氮化物LED的可见光通信技术越来越引起人们的关注，而作为可见光通信系统的光源LED是可见光通信技术研究的重中之重。

目前，世界发达国家为了抢占LED研究的制高点，都非常重视LED测试方法及标准的研究和制定，在LED测试和标准方面投入了大量的人力物力。目前，美国国家标准检测研究所(NIST)组织国际知名测试专家展开LED测试的研究，重点研究LED发光特性、温度特性及光衰特性等测试方法，试图建立整套的LED测试方法和技术标准。国际照明委员会发表的CIE127-2007LED测试方法，把LED强度测试确定为平均强度的概念，并且规定了统一的测试结构和探测器大小，这样就为LED准确测试比对奠定了基础。但是随着技术的快速发展，许多新的LED技术特性CIE27-2007LED测试方法没有涉及。2008年，北美照明学会正式公布《IESNALM 80-2008测量LED光源光通量维持的方法》，对于LED光源的额定流明维持寿命做了定义。我国最近几年在半导体照明材料、芯片技术、产品封装检测和测试方法上也取得了突破性的进展，并相继制定了相关的半导体照明行业标准，这对半导体照明产业的发展具有积极的引导作用。其中发布的《SJ/T11399-2009：半导体发光二极管芯片测试方法》和《SJ/T11394-2009：半导体发光二极管测试方法》对LED的光、电、色度、辐射度、静电放电敏感性、热学等参数的测试方法做了相应的规定。

适用于光通信系统发光器件LEDs/LDs的光电热及调制特性测试是全面检验光通信发光器件性能的重要手段，相应的测试结果是评价和反映当前光通信发光器件研发水平和应用潜力的依据。虽然目前国内外市场上有测量发光器件光、电、热的测试装置，也有对光通信用发光器件调制特性的测试系统，但是一般情况下都是在不同的操作台上独立进行，需要操作人员人工将发光器件从一个测试设备上取下来，放置到另外的发光器件光、电、热及调制特性测试装置上进行测试，不能实施光通信用发光器件多个性能参数的综合检测，在进行光通信发光器件光电热及调制特性性能分析方面存在着一定的局限性。因此，迫切需要一种新的检测系统和方法，可以在对光通信用发光器件进行直流交流小信号光电热调制特性综合测试时，不仅仅对其光学特性进行监控，而且可以原位进行器件的电学特性、热学特性和交流小信号下器件的调制特性随温度的变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种适用于光通信发光器件的在线综合测试系统及方法，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，包括：

LED/LD负载电路板，用于放置单颗或多颗待测光通信发光器件；

电参数发生及测试装置，用于输出并控制点亮待测光通信发光器件所需的直流电信号，以及测量所述光通信发光器件的电学特性；

交流小信号发生装置，用于提供交流小信号使之与所述直流电信号叠加在一起，以对待测光通信发光器件的光信号调制；

温度控制及探测装置，用于给待测光通信发光器件提供一个恒定的温度并实时监测所述LED/LD负载电路板的基底温度；

光信号探测装置，用于接收从待测光通信发光器件发出的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号，以及测量所述光通信发光器件的光学特性；

LED/LD调制特性测试系统，用于测试发光器件的频率响应特性；

中央监控及处理计算机，用于测量所述光通信发光器件的热学特性，以及实现测试数据的传输、采集和分析功能。

在进一步的实施方案中，所述待测光通信发光器件是基于III族半导体的适用于光通信的发光二极管或半导体激光器，且其发光波长范围覆盖深紫外到可见光区域。

在进一步的实施方案中，所述LED/LD负载电路板上各所述待测光通信发光器件采用串联或并联连接方式。

在进一步的实施方案中，所述电参数发生及测试装置测量所述光通信发光器件的电学特性包括测试电流下的电压值和电流-电压扫描曲线。

在进一步的实施方案中，所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统还包括：

多通道驱动控制装置，用于对所述光通信发光器件提供驱动电信号，以及进行多颗发光器件之间的测试切换并控制整个系统的各部分组件；

光探测控制装置，用于为光信号探测装置提供正常的工作电压；

光信号处理分析装置，用于分析处理所述光信号探测装置探测到的光信号；

三通偏置器，用于使所述交流小信号与所述直流电信号叠加在一起，以实现对所述交流小信号调制。

根据本发明的另一方面，提供一种适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，包括：

将单颗或多颗待测光通信发光器件置于LED/LD负载电路板上；

将所述LED/LD负载电路板贴合温度控制及探测装置，并使用所述温度控制及探测装置调节环境温度到设定值；

测得各所述光通信发光器件在测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系在中央监控及处理计算机计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性；

通过所述温度控制及探测装置设定不同的温度变化，使各所述光通信发光器件在不同的结温条件下通过电参数发生及测试装置和光信号探测装置分别测试各所述光通信发光器件的电学特性和光学特性；

在所述电参数发生及测试装置提供的直流电和交流小信号发生装置提供的交流小信号叠加的情况下，通过LED/LD调制特性测试系统对各所述光通信发光器件逐个进行频率响应特性测试。

在进一步的实施方案中，所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板上，是根据所用光通信发光器件的封装结构采用贴片或者焊接方式放置单颗或者多颗所述光通信发光器件于所述LED/LD负载电路板上。

在进一步的实施方案中，在所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板上之前还包括：

检查所述适用于光通信发光器件的在线综合测试系统各组成部分连线是否正常；

启动综合测试系统并检查测试中央监控及处理计算机的控制软件是否能正常工作。

在进一步的实施方案中，所述测得各所述光通信发光器件在所述测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性包括：

通过电参数发生及测试装置对所述光通信发光器件施加所述测试电流；

测量各所述光通信发光器件所述测试电流对应的电压值；

调节环境温度，重复测量不同温度下各所述光通信发光器件对应的电压值并记录，从而得到各所述光通信发光器件在所述测试电流下电压值与温度之间的对应关系；

通过电参数发生及测试装置给各所述待测光通信发光器件施加工作电流；

电压值稳定后切换成所述测试电流下，通过中央监控及处理计算机监控各所述光通信发光器件电压的瞬态变化曲线；

根据所述瞬态变化曲线和所述对应关系，计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性。

在进一步的实施方案中，所述测试电流为1mA-10mA之间的直流电流。

在进一步的实施方案中，所述测量得到的热学特性包括光通信发光器件的结温和热阻。

在进一步的实施方案中，所述计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性之后还包括：

通过中央监控及处理计算机采集并分析所述整体物理特性得到各所述光通信发光器件的整体物理特性综合测试报告和测试数据并输出。

(三)有益效果

本发明提供的对适用于光通信发光器件的在线综合测试系统及方法，将光通信发光器件的物理特性的测试集成于一体，可以在对光通信用发光器件进行直流及叠加交流小信号光电热频率响应特性综合测试时，不仅仅可测试其光学特性，而且可以原位进行器件的电学特性、热学特性和交流小信号下器件的频率响应特性随器件结温的变化进行监控。这种原位的多功能的适用于光通信光源半导体发光器件测试系统可以快速准确地提供光通信光源半导体器件的整体物理特性，可以对光通信系统发光器件的性能有一个完整的准确的评估，对于分析光通信用发光芯片外延结构和器件制备过程中的薄弱环节具有重要的参考意义。

附图说明

图1是依照本发明实施例提供的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统的结构示意图；

图2是依照本发明实施例提供的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，图1是依照本发明一个实施例提供的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统的结构示意图，该系统在对光通信用发光器件进行直流交流小信号光电热频率响应特性综合测试时，不仅仅对其光学特性进行监控，而且可以原位进行器件的电学特性、热学特性和交流小信号下器件的频率响应特性随温度的变化，其包括：

LED/LD负载电路板1，用于放置单颗或多颗待测光通信发光器件；

电参数发生及测试装置2，用于输出并控制点亮待测光通信发光器件所需的直流电信号，以及实现测量所述光通信发光器件的电学特性；

交流小信号发生装置3，用于提供交流小信号使之与所述直流电信号叠加在一起，以实现对待测光通信发光器件的光信号调制；

温度控制及探测装置5，用于给待测光通信发光器件提供一个恒定的温度并实时监测所述LED/LD负载电路板1的基底温度；

光信号探测装置6，用于接收从待测光通信发光器件发出的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号，以及实现测量所述光通信发光器件的光学特性；

LED/LD调制特性测试系统9，用于测试发光器件的频率响应特性；

中央监控及处理计算机10，用于测量所述光通信发光器件的热学特性，以及实现测试数据的传输、采集和分析功能。

其中，所述中央监控及处理计算机10实现测试数据的传输、采集和分析功能的数据包括所有测量的物理特性。

在本实施例中，所述待测光通信发光器件是基于III族半导体的适用于光通信的发光二极管或半导体激光器，且其发光波长范围覆盖深紫外到可见光区域，包括紫外光通信发光器件和可见光通信发光器件。

在本实施例中，所述LED/LD负载电路板1上各所述待测光通信发光器件采用串联或并联连接方式，能够对多颗待测光通信发光器件自动逐个进行测试，而且如果其中某一个待测发光器件发生故障，能够不需要手动操作，通过并联方式使下一个器件的相关测试得以继续进行。

在本实施例中，所述电参数发生及测试装置2测量所述光通信发光器件的电学特性包括测试电流下的电压值和电流-电压扫描曲线。

在本实施例中，所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统还可包括：

多通道驱动控制装置4，用于对所述光通信发光器件提供驱动电信号，以及进行多颗发光器件之间的测试切换并控制整个系统的各部分组件；

光探测控制装置7，由多颗光电器件构成，用于为光信号探测装置6提供正常的工作电压；

光信号处理分析装置8，用于分析处理所述光信号探测装置6探测到的光信号；

三通偏置器11，用于使所述交流小信号与所述直流电信号叠加在一起，以实现对所述交流小信号调制；

如图2所示，图2是依照本发明的另一实施例提供的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法的方法流程图，该方法可由上述测试系统进行操作，其包括：

步骤S1：将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板1上；

步骤S2：将所述LED/LD负载电路板1贴合温度控制及探测装置5，并使用所述温度控制及探测装置5调节环境温度到设定值；

步骤S3：测得各所述光通信发光器件在测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系在中央监控及处理计算机10计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性；

步骤S4：通过所述温度控制及探测装置5设定不同的温度变化，使各所述光通信发光器件在不同的结温条件下通过电参数发生及测试装置2和光信号探测装置6分别测试各所述光通信发光器件的电学特性和光学特性；

步骤S5：在所述电参数发生及测试装置2提供的直流电和交流小信号发生装置3提供的交流小信号叠加的情况下，通过LED/LD调制特性测试系统9对各所述光通信发光器件逐个进行频率响应特性测试。

在步骤S1中，所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板1上，是根据所用光通信发光器件的封装结构采用贴片或者焊接方式放置单颗或者多颗所述光通信发光器件于所述LED/LD负载电路板1上。

在本实施例中，在所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板1上之前还包括：

步骤S00：检查所述适用于光通信发光器件的在线综合测试系统各组成部分连线是否正常；

步骤S01：启动综合测试系统并检查测试中央监控及处理计算机10的控制软件是否能正常工作。

在本实施例中，所述测得各所述光通信发光器件在测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性包括：

步骤S31：通过电参数发生及测试装置2对所述光通信发光器件施加测试电流；

步骤S32：测量各所述光通信发光器件所述测试电流对应的电压值；

步骤S33：调节环境温度，重复测量不同温度下各所述光通信发光器件对应的电压值并记录，从而得到各所述光通信发光器件在测试电流下电压值与温度之间的对应关系；

步骤S34：通过电参数发生及测试装置2给各所述待测光通信发光器件施加工作电流；

步骤S35：电压值稳定后切换成所述测试电流下，通过中央监控及处理计算机10监控各所述光通信发光器件电压的瞬态变化曲线；

步骤S36：根据所述瞬态变化曲线和所述关系系数K因子，计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性。

其中，所述测试电流为1mA-10mA之间的直流电流，如此设定可避免光通信发光器件发生自热；所述工作电流根据各所述光通信发光器件所需的工作电流不同而不同。

在步骤S33中，所述调节环境温度的范围为25-55℃或者25-85℃。

在步骤S3中，所述测量得到的热学特性包括光通信发光器件的结温和热阻。

在步骤S5中，在不同的直流输入偏置下，利用器件调制特性测试系统对所有待测发光器件逐个进行交流小信号频率响应特性测试，得到不同输入电流密度下的3dB带宽；然后保持器件的输入电流不变，通过恒定温度控制置，使发光器件在不同的结温条件下测试器件的3dB带宽，从而研究器件结温变化对发光器件频率响应特性的影响。

在本实施例中，所述计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性之后还包括：

步骤S6：通过中央监控及处理计算机10采集并分析所述整体物理特性得到各所述光通信发光器件的整体物理特性综合测试报告和测试数据并输出。

目前国内外市场上测量发光器件光、电、热的测试装置以及对光通信用发光器件频率响应特性的测试系统，都是在不同的操作台上独立进行，需要操作人员人工将发光器件从一个测试设备上取下来，放置到另外的发光器件光、电、热及频率响应特性测试装置上进行测试，不能实施光通信用发光器件多个性能参数的综合检测，在进行光通信发光器件光电热及频率响应特性性能分析方面存在着一定的局限性。本专利所提出的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，可以在对光通信用发光器件进行直流及叠加交流小信号光电热频率响应特性综合测试时，不仅仅对其光学特性进行监控，而且可以原位进行器件的电学特性、热学特性和交流小信号下器件的频率响应特性随器件结温的变化。

在本发明中，所谓的“系统”、“设备”、“装置”、“模块”、或“单元”等用语，是指一电子组件或由多个电子组件所组成的一数字电路、一模拟电路、或其他更广义的电路，且除了特别指明以外，它们不必然有阶层或从属关系。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，包括：

LED/LD负载电路板(1)，用于放置单颗或多颗待测光通信发光器件；

电参数发生及测试装置(2)，用于输出并控制点亮待测光通信发光器件所需的直流电信号，以及测量所述光通信发光器件的电学特性；

交流小信号发生装置(3)，用于提供交流小信号使之与所述直流电信号叠加在一起，以对待测光通信发光器件的光信号调制；

温度控制及探测装置(5)，用于给待测光通信发光器件提供一个恒定的温度并实时监测所述LED/LD负载电路板(1)的基底温度；

光信号探测装置(6)，用于接收从待测光通信发光器件发出的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号，以及测量所述光通信发光器件的光学特性；

LED/LD调制特性测试系统(9)，用于测试发光器件的频率响应特性；

中央监控及处理计算机(10)，用于测量所述光通信发光器件的热学特性，以及实现测试数据的传输、采集和分析功能。

2.根据权利要求1所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，其特征在于，所述待测光通信发光器件是基于III族半导体的适用于光通信的发光二极管或半导体激光器，且其发光波长范围覆盖深紫外到可见光区域。

3.根据权利要求1所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，其特征在于，所述LED/LD负载电路板(1)上各所述待测光通信发光器件采用串联或并联连接方式。

4.根据权利要求1所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，其特征在于，所述电参数发生及测试装置(2)测量所述光通信发光器件的电学特性包括测试电流下的电压值和电流-电压扫描曲线。

5.根据权利要求1所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试系统，其特征在于，还包括：

多通道驱动控制装置(4)，用于对所述光通信发光器件提供驱动电信号，以及进行多颗发光器件之间的测试切换并控制整个系统的各部分组件；

光探测控制装置(7)，用于为光信号探测装置(6)提供正常的工作电压；

光信号处理分析装置(8)，用于分析处理所述光信号探测装置(6)探测到的光信号；

三通偏置器(11)，用于使所述交流小信号与所述直流电信号叠加在一起，以实现对所述交流小信号调制。

6.一种适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，包括：

将单颗或多颗待测光通信发光器件置于LED/LD负载电路板(1)上；

将所述LED/LD负载电路板(1)贴合温度控制及探测装置(5)，并使用所述温度控制及探测装置(5)调节环境温度到设定值；

测得各所述光通信发光器件在测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系在中央监控及处理计算机(10)计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性；

通过所述温度控制及探测装置(5)设定不同的温度变化，使各所述光通信发光器件在不同的结温条件下通过电参数发生及测试装置(2)和光信号探测装置(6)分别测试各所述光通信发光器件的电学特性和光学特性；

在所述电参数发生及测试装置(2)提供的直流电和交流小信号发生装置(3)提供的交流小信号叠加的情况下，通过LED/LD调制特性测试系统(9)对各所述光通信发光器件逐个进行频率响应特性测试。

7.根据权利要求6所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板(1)上，是根据所用光通信发光器件的封装结构采用贴片或者焊接方式放置单颗或者多颗所述光通信发光器件于所述LED/LD负载电路板(1)上。

8.根据权利要求6所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，在所述将单颗或多颗待测光通信发光器件安置于LED/LD负载电路板(1)上之前还包括：

检查所述适用于光通信发光器件的在线综合测试系统各组成部分连线是否正常；

启动综合测试系统并检查测试中央监控及处理计算机(10)的控制软件是否能正常工作。

9.根据权利要求6所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，所述测得各所述光通信发光器件在所述测试电流下电压值与温度之间的对应关系，并根据所述对应关系计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性包括：

通过电参数发生及测试装置(2)对所述光通信发光器件施加所述测试电流；

测量各所述光通信发光器件所述测试电流对应的电压值；

调节环境温度，重复测量不同温度下各所述光通信发光器件对应的电压值并记录，从而得到各所述光通信发光器件在所述测试电流下电压值与温度之间的对应关系；

通过电参数发生及测试装置(2)给各所述待测光通信发光器件施加工作电流；

电压值稳定后切换成所述测试电流下，通过中央监控及处理计算机(10)监控各所述光通信发光器件电压的瞬态变化曲线；

根据所述瞬态变化曲线和所述对应关系，计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性。

10.根据权利要求9所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，所述测试电流为1mA-10mA之间的直流电流。

11.根据权利要求9所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，所述测量得到的热学特性包括光通信发光器件的结温和热阻。

12.根据权利要求6-11任一项所述的适用于光通信发光器件的在线综合测试方法，其特征在于，所述计算得到各所述光通信发光器件在一恒定的电输入状态下的热学特性之后还包括：

通过中央监控及处理计算机(10)采集并分析所述整体物理特性得到各所述光通信发光器件的整体物理特性综合测试报告和测试数据并输出。

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