CN114089319B - 一种vcsel器件的纳秒级liv测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了VCSEL器件的纳秒级LIV测试系统及方法，方法包括：驱动信号源所发出的脉冲信号，以及可调稳压电源所输出的指定的步进电压，将所述脉冲信号与比较器中的基准信号进行比较，从而输出上升沿和下降沿更快的脉冲信号；基于上升沿和下降沿更快的脉冲信号，进入GaN驱动器进一步提升脉冲信号的输出强度，输出到GaN功率管，确保GaN功率管快速开启和关闭；基于上述电路驱动后所输出的光脉冲，获取光纤收集到的光脉宽波形，判断所得到的光脉宽与输入脉宽宽度是否相同；本发明克服了现有的基于源表的测试技术，只能实现微秒级测试，无法满足VCSEL当前在纳秒级使用下的测试难题，为VCSEL研发阶段和量产阶段的试验和测试提供了准确的技术参考。

Description

一种VCSEL器件的纳秒级LIV测试系统及方法
技术领域
本发明属于LIV测试系统技术领域，具体涉及一种VCSEL器件的纳秒级LIV测试系统及方法。
背景技术
LIV测试数据是评估VCSEL性能的重要指标。通过测试LIV性能，可以了解VCSEL的最佳工作电压及相关的输出光功率。目前的LIV测试一般是采用源表，进行10微秒以上的恒流脉冲测试。10微秒级别的测试在目前主流的VCSEL应用场景中基本可以满足需求，但是针对目前不断兴起的激光雷达的VCSEL应用来说，目前的微秒级的测试无法满足真实应用场景的测试需求，测试结果也不能代表被测器件在纳秒级驱动下的性能。
因为针对激光雷达的VCSEL应用，为了保证激光发射距离尽量远，而平均功率不超过器件的极限，因此需要采用极窄脉宽（通常为1~5ns）、尽量大的瞬时功率来驱动。因此为了测量VCSEL器件在真实工作场景下的性能，就需要纳秒级驱动和测试能力的测试设备对其进行测试。这是目前的微秒级测试设备不能满足的。
发明内容
本发明要解决现有的基于源表的测试技术，只能实现微秒级测试，无法满足VCSEL当前在纳秒级使用下的测试难题，为此提供了VCSEL器件的纳秒级LIV测试系统及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种VCSEL器件的纳秒级LIV测试方法，方法包括：
获取驱动信号源所发出的脉冲信号，以及可调稳压电源所输出的指定的步进电压，将所述脉冲信号与比较器中的基准信号进行比较，从而输出上升沿和下降沿更快的脉冲信号；
基于上升沿和下降沿更快的脉冲信号，进入GaN驱动器进一步提升脉冲信号的输出强度，输出到GaN功率管，确保GaN功率管快速开启和关闭；
基于比较器中比较以及GaN功率管内驱动电路驱动后所输出的光脉冲，获取光纤收集到的光脉宽波形，判断所得到的光脉宽与输入脉宽宽度是否相同；
响应于所得到的光脉宽与输入脉宽宽度不同，则根据光脉宽波形差异计算新脉宽，并使所述新脉宽输入所述驱动信号源，发出新的脉冲信号；
响应于所得到的光脉宽与输入脉宽宽度相同，则持续输出光脉宽；
获取高速PD所采集到的经过小型积分球收光后的光功率以及示波器中输出的波形，计算所需要的光功率，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：通过积分球后的总光功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率绝对值；
tr：波形起始时间；
tf：波形结束时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
：通过积分球后的t时间位置的瞬时光功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率相对幅值。
较佳的，方法包括：
基于可调稳压电源所输出的指定的步进电压，采集示波器中显示的相应光功率、电压以及电流读数。
较佳的，方法包括：
基于经过高速PD放大后的脉冲信号和所述电压，计算相应光功率，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
P：光功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：示波器采集到的峰值电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
：PD有效感应面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
:积分球面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
:PD响应率。
较佳的，方法包括：
响应于光功率、电压以及电流读数，计算获得对应的LIV曲线。
一种VCSEL器件的纳秒级LIV测试系统，包括计算机；系统还包括：
可程控稳压电源、纳秒级激光器驱动测试板、信号发生器、脉宽与光功率测试模块和示波器；所述信号发生器与所述可程控稳压电源同时连接所述纳秒级激光器驱动测试板；所述纳秒级激光器驱动测试板与所述脉宽与光功率测试模块、所述示波器和所述计算机依次连接。
较佳的，所述纳秒级激光器驱动测试板由比较器、GaN驱动器、GaN功率管、陶瓷电容阵列、电流检测单元和电压检测单元构成。
较佳的，所述脉宽与光功率测试模块包括积分球、高速PD和多模光纤，所述多模光纤插入所述积分球，所述积分球与所述多模光纤的后端同时接入有所述高速PD。
较佳的，所述GaN功率管靠近所述积分球。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明采用开环的电压型驱动方案，配合陶瓷电容+GaN（氮化镓）组合的高速驱动和检测电路，实现了快速响应的纳秒级电压脉冲，从而驱动VCSEL，实现纳秒级的光输出和对应的LIV测试；
且由于采用电压直接驱动的方法进行测试，因此LIV曲线横坐标的电流不是固定步进，在获取到指定的电流值后，通过软件计算，仍然将电流值作为横坐标输出对应的LIV曲线；
同时通过光纤采集了激光直射的波形（即激光器输出的真实波形），通过积分的方法，将积分球得到的波形，代入到光纤采集到的波形，可以还原光脉冲真实的光功率脉冲曲线，消除误差，提高准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例的装置连接示意图；
图2为本发明实施例的积分球结构图；
图3为本发明实施例的流程图；
图4为本发明实施例的电压测量原理图；
图5为本发明实施例的光脉冲进入积分球前后波形对比图；
图中：1、计算机； 2、可程控稳压电源；3、纳秒级激光器驱动测试板；4、信号发生器；5、脉宽与光功率测试模块；6、示波器；7、积分球；8、高速PD；9、多模光纤。
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做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。
实施例一：
参考图1-5，主要系统包括：计算机1、可程控稳压电源2、纳秒级激光器驱动测试板3、信号发生器4、脉宽与光功率测试模块5和示波器6；所述信号发生器4与所述可程控稳压电源2同时连接所述纳秒级激光器驱动测试板3；所述纳秒级激光器驱动测试板3与所述脉宽与光功率测试模块5、所述示波器6和所述计算机1依次连接。
所述纳秒级激光器驱动测试板3是一种由比较器、GaN驱动器、GaN功率管、陶瓷电容阵列、电流检测单元和电压检测单元构成的测试单元，其作用在于，信号发生器4发出的信号可能上升沿和下降沿仍然较缓（通常在1ns左右），信号发生器4发出脉冲信号后，进入比较器，与一个2V的基准信号进行比较，从而输出上升沿和下降沿更快的脉冲信号，此时脉冲的宽度将变窄，上升沿和下降沿变的更陡（300ps以内）；而脉冲信号经过优化后，将进入GaN驱动器，而GaN驱动器作为驱动电路，可进一步提升脉冲信号的输出强度，输出到GaN功率管，确保GaN功率管快速开启和关闭。
所述脉宽与光功率测试模块5包括积分球7、高速PD8和多模光纤9，所述多模光纤9插入所述积分球7，所述积分球7与所述多模光纤9的后端同时接入有所述高速PD8。其中，直接连接积分球7的高速PD8主要用于计算光功率总能量，带45°倒角的多模光纤9主要用于测量脉宽以及参与计算光功率峰值能量，所述GaN功率管靠近所述积分球7，向积分球7提供其光脉冲。基于纳秒级激光器驱动测试板3的驱动后，最终输出的光脉冲将会与信号发生器4输入脉宽宽度不同，所以无法满足定脉宽的测试要求。因而需通过光纤收集到的光脉宽波形，经过测量后反馈回系统，并根据测量到的脉宽对信号发生器4的输入信号进行微调和校正，最终输出的精确脉宽的光脉冲。
实施例二：
参考图1-5，本方法采用信号发生器作为驱动信号源，以及用于数据采集的同步信号源。由于测试的脉冲信号取决于输入信号，因此对于本方法，应采用最短脉冲可以达到3ns或以下的信号发生器，并可同步输出触发信号。
脉冲信号是一个带光型和脉宽反馈的脉冲信号，可以输出精度±100ps的高精度光脉冲，实现更准确的测量。具体方法如下：信号发生器发出的信号可能上升沿和下降沿仍然较缓（通常在1ns左右），信号发生器发出脉冲信号后，进入比较器，与一个2V的基准信号进行比较，从而输出上升沿和下降沿更快的脉冲信号，此时脉冲的宽度将变窄，上升沿和下降沿变的更陡（300ps以内），这是通过比较器对脉冲信号优化。
脉冲信号经过优化后，将进入GaN驱动器。GaN驱动器可进一步提升脉冲信号的输出强度，输出到GaN功率管，确保GaN功率管的快速开启和关闭，这是通过GaN驱动器对脉冲功率优化。
基于比较器的比较以及GaN驱动器内的驱动电路驱动后，最终输出的光脉冲将会与信号发生器输入脉宽宽度不同，所以无法满足定脉宽的测试要求。本方法通过光纤收集到的光脉宽波形，经过测量后反馈回系统，并根据测量到的脉宽对信号发生器的输入信号进行微调和校正，最终输出的精确脉宽的光脉冲。
ns级的脉冲驱动信号下，驱动板会驱动激光器产生ns级的激光。因此需要足够带宽的PD才可以探测到。因此采用1.2G以上带宽的高速PD来采集信号。为了确保收光，采用小型积分球收光后再通过高速PD探测。
光功率的计算一般用峰值电流或电压来进行。在窄脉冲下，积分球收光后的输出光波形会与真实波形不同，如附图5所示，光脉冲在进入积分球之后，会发生波形的塌陷和变宽。从而以积分球输出的波形来计算光功率会产生误差。
虽然输入和输出的波形不同，但是由于光的总能量是不变的，因此可以认定两个波形的积分值相同。所以我们可以通过测量波形幅值的方法来反算激光器真实的峰值功率。
根据此原理，本方法通过光纤采集了激光直射的波形（即激光器输出的真实波形），通过积分的方法，将积分球得到的波形，代入到光纤采集到的波形，还原光脉冲真实的光功率脉冲曲线。从而得出对应的光功率。公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure 795019DEST_PATH_IMAGE006
：通过积分球后的总光功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率绝对值；
tr：波形起始时间；
tf：波形结束时间；
Figure 716181DEST_PATH_IMAGE010
：通过积分球后的t时间位置的瞬时光功率；
Figure 524868DEST_PATH_IMAGE012
：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率相对幅值。
本方法采用检测电阻作为采集值，由于瞬时电流较大（1~150A），因此检测电阻采用0.05Ω以下的精密电阻；由于电压也较高，因此采用电容隔离后再进行分压的方式采集。
为了确保测试值的准确性和实时性，以及满足本方法所需的测试带宽，本方法采用示波器对前述的采集值进行测量和计算。其中每一项的采集值的计算方式如下：
1.光功率测量：
激光器发出的光，经过积分球收光后，进入高速PD。PD的信号经过放大处理后，通过50Ω同轴线缆进入示波器。公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
P：光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE031
：示波器采集到的峰值电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033
：PD有效感应面积
Figure DEST_PATH_IMAGE035
:积分球面积
Figure DEST_PATH_IMAGE037
:PD响应率
通过以上公式，可以通过采集到的电压值，来计算出激光器输出的光功率。
2.电压测量：
由于本方法的被测件需要通过超过100V的直流电压进行驱动，超出了示波器的显示范围，且直接测试有一定的安全隐患。因此我们采用电容隔离并分压的方式进行测量，具体原理图如图4所示，需要采集的信号通过10nF的高压陶瓷电容隔离后，通过1K电阻以及50Ω电阻分压后传入示波器。实际电压计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
Figure DEST_PATH_IMAGE041
：驱动被测件的直流电压
3.电流测量：
电流测量采用在回路中串联检测电阻的方式进行测量。
在完成了上述三项数据测量和获取后，即可实现LIV曲线生成：
LIV曲线，是以电流为横坐标，电压、光强、PCE（光电转换效率）为三项纵坐标的综合参数曲线。
本方法采用开环的测试路线，通过计算机软件控制可调稳压电源输出指定的步进电压，控制信号发生器发送指定脉宽的脉冲。并在每一次输出电压后，读取示波器的光功率、电压及电流读数。由于采用电压直接驱动的方法进行测试，因此横坐标的电流不是固定步进，在获取到指定的电流值后，通过软件计算，仍然将电流值作为横坐标输出对应的LIV曲线。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种VCSEL器件的纳秒级LIV测试方法，其特征在于，方法包括：
获取驱动信号源所发出的脉冲信号，以及可程控稳压电源所输出的指定的步进电压，将所述脉冲信号与比较器中的基准信号进行比较，从而输出上升沿和下降沿更快的脉冲信号；
基于上升沿和下降沿更快的脉冲信号，进入GaN驱动器进一步提升脉冲信号的输出强度，输出到GaN功率管，确保GaN功率管快速开启和关闭；
基于比较器中比较以及GaN功率管内驱动电路驱动后所输出的光脉冲，获取光纤收集到的光脉宽波形，判断所得到的光脉宽与输入脉宽宽度是否相同；
响应于所得到的光脉宽与输入脉宽宽度不同，则根据光脉宽波形差异计算新脉宽，并使所述新脉宽输入所述驱动信号源，发出新的脉冲信号；
响应于所得到的光脉宽与输入脉宽宽度相同，则持续输出光脉宽；
获取高速PD所采集到的经过小型积分球收光后的光功率以及示波器中输出光脉冲的波形起始时间、波形结束时间、通过积分球后的t时间位置的瞬时光功率和通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率相对幅值，计算所需要的光功率，公式如下：
Figure FDA0003546575580000011
Figure FDA0003546575580000012
P出射：通过积分球后的总光功率；
Pt入射：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率绝对值；
tr：波形起始时间；
tf：波形结束时间；
Pt：通过积分球后的t时间位置的瞬时光功率；
P′t：通过积分球前的t时间位置的瞬时光功率相对幅值；
基于可程控稳压电源所输出的指定的步进电压，采集相应光功率、电压以及电流读数；
基于经过高速PD放大后的脉冲信号和所述电压的峰值，计算相应光功率，公式如下：
Figure FDA0003546575580000021
P：光功率；
Vpeak：示波器采集到所述电压的峰值；
SPD：PD有效感应面积；
Sintegratingsphere:积分球面积；
RPD:PD响应率；
响应于光功率、电压以及电流读数，计算获得对应的LIV曲线。
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