CN116470960A - 一种led调制带宽快速测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED调制带宽快速测试系统，包括直流电源；偏置器；激光器，用于激发LED样品发光，实现光信号‑电信号‑光信号的转变；透射组件，用于整体光线的聚焦；滤光片，用于排除激光对LED发光的影响；光电探测器，检测到LED发出的光信号，并转变为电信号输出；矢量网络分析仪，分析两端口信号以绘制频率响应曲线，从而得到LED的调制带宽。本发明可以实现在不封装LED情况下对其通信性能进行测试的功能，并且可以通过激光扫描实现同时测量多个LED的调制带宽的功能。利用本发明的装置可以实现快速测量，并且光激发可以达到对LED样品零损伤的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED调制带宽快速测试系统及测试方法。
背景技术
LED可见光通信技术具有高带宽、高速率、抗电磁干扰能力强、安全性高等诸多优点，已经成为可见光通信技术的发展热点。LED作为可见光通信系统的光源，其自身特性对系统通信性能有着显著影响。
其中LED的调制带宽直接决定了可见光通信的信道容量和传输速率，是衡量系统通信性能的重要指标之一。因此，能够准确、快速、高效地测量LED调制带宽对于研究可见光通信技术具有重要意义。
而现有的研究大多集中于调制带宽的影响因素和提高带宽的方法，其测试系统始终比较单一。2012年中国科学院半导体研究所裴艳荣等设计了一种可见光通信系统中光源性能的装置，可用于LED调制带宽的测试。装置主要由发射端和接收端组成。发射端包括电信号源和LED光源，接收端包括光电探测器和信号采集模块，最终通过LED的频率特性曲线得到调制带宽。2018年中国科学院半导体研究所杨杰等在研究载流子复合机制对LED调制带宽的影响时使用了一套以网络分析仪为核心的测试系统，网络分析仪可以将信号产生、探测以及处理的功能集成在一起，从而实现更高频率的测试。
以上两种测试系统都采用了电注入来激发LED发光，但是这种基于电激发原理的测试系统在实际操作中容易产生很多问题。首先在测试时需要电极探针直接与待测LED接触，操作难度大、误操作率高；在测试过程中容易对样品造成破坏性损伤；此外，单位时间内能测试像素颗数有限，测试效率低。因此搭建一个非接触性、非破坏性、测试效率高的LED调制带宽测试系统是我们亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种LED调制带宽快速测试系统，基于LED光致发光的物理机制，引入激光器作为调制信号源，将激光信号投射到LED样品上，使LED受激辐射发光，从而实现无探针接触、无焊接封装的新型测试方法。
本发明采用的技术方案为：
一种LED调制带宽快速测试系统，其特征在于包括发射端组件、接收端组件以及测试平台；
所述发射端组件用于将电信号施加至激光器，生成加载信息的激光测试信号，该发射端组件至少包括：
信号产生元件，用于提供测试电信号；
激光器；
第一透镜组，用于将激光汇聚到待测LED样品上；
所述接收端组件用于接收LED样品受激产生的可见光信号，该接收端组件至少包括：
第二透镜组，用于汇聚LED样品产生的可见光信号；
滤光片，用于过滤掉产生的激光；
光电探测器，用于接收进入其探测窗口的LED样品产生的可见光信号并将其转换成电信号；
矢量网络分析仪，用于对发射端与接收端电信号进行分析，绘制出频率响应曲线以获取LED的调制带宽；
测试平台，用于放置待测的LED样品。
优选的，所述发射端组件还包括光电支架，所述激光器放置于光电支架上且可通过光电支架对激光器的发射距离及角度进行调整。
优选的，所述信号产生元件由直流电源的直流信号产生部分以及矢量网络分析仪的交流信号产生部分共同组成。
优选的，还包括偏置器，所述偏置器用于将直流电源产生的直流信号与矢量网络分析仪产生的交流信号耦合，将耦合后的电信号加载到激光器上。
优选的，所述测试平台具备三轴可移动底座，通过控制LED样品进行移位扫描。
优选的，所述第一透镜组和第二透镜组均为光学变焦镜头。
本发明还公开了激光在测试LED样品的调制带宽中的应用。
本发明还公开了一种LED调制带宽快速测试方法，其步骤包括：
(1)给激光器施加电压信号，使激光器发射激光；
(2)激光器发射的激光投射到待测LED样品上，驱动LED样品发光；
(3)LED样品受激光驱动产生的可见光信号通过光电探测器转变成电信号，再输入进矢量网络分析仪进行分析从而获取测试LED的调制带宽。
优选的，步骤(1)具体为直流电源输出3.5V-6V的直流信号，矢量网络分析仪输出300kHz-3GHz交流信号，将直流信号和交流信号耦合后施加到激光器中，以激发激光器发射激光。
优选的，步骤(2)具体为激光器发射的激光经透镜聚焦后，再投射到LED样品上。
优选的，步骤(3)具体为LED样品产生的可见光信号经过透镜聚焦，再过滤激光信号的干扰，然后通过光电探测器转变成电信号，最终输入进矢量网络分析仪进行频率响应的分析从而获取测试LED样品的调制带宽。
本发明的有益效果为：
(1)操作便捷，无需对样品封装，对样品尺寸无严格要求，仅需在测试平台上放置LED样品即可进行测试；
(2)样品无损，无需用电极探针接触样品，因此不会造成样品的损伤与破坏；
(3)测试高效，通过测试平台的三轴控制，可以快速切换激光照射区间，大大提高了LED调制带宽的测试效率。
总体而言，本发明可以实现在不封装LED情况下对其通信性能进行测试的功能，并且可以通过激光扫描实现同时测量多个LED的调制带宽的功能。利用本发明的装置可以实现快速测量，并且光激发可以达到对LED样品零损伤的效果。
附图说明
图1为本发明实施例1中LED调制带宽快速测试系统的结构框图；
图2为本发明实施例1中激光器的光谱图；
图3为本发明实施例1中激光器的频率响应曲线；
图4为本发明实施例1中LED样品的频率响应曲线；
图5为本发明实施例1、2、3中LED样品在激光器工作电流为200mA条件下的频率响应曲线。
【本发明主要元件符号说明】
1-发射端组件； 2-接收端组件；
11-直流电源； 12-偏置器；
13-激光器； 14-透镜组；
21-透镜组； 22-滤光片；
23-光电探测器； 24-矢量网络分析仪；
3-待测样品； 31-可移动底座；
32-LED样品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但实施例的描述不对本发明的保护范围产生任何限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
下列实施例中所用的物质或仪器，如果未进行特殊说明的话，均可以从常规的商用渠道获取。
在本发明的实施例1中，提供了一种LED调制带宽快速测试系统。如图1所示，该装置包括：发射端组件1、接收端组件2和测试平台3。发射端组件1为信号的产生和发射装置，包括：直流电源11、偏置器12、激光器13和透镜组14。接收端组件2是可见光信号的接收和处理装置，包括：透镜组21、滤光片22、光电探测器23和矢量网络分析仪24。
以下分别对本实施例LED调制带宽快速测试系统的各个组成部分进行详细说明。
直流电源11输出直流信号，CH1和CH2分别驱动激光器和光电探测器的正常工作。控制并更改直流电源CH1的输出电压，可以获取在不同电流密度下样品的测试结果。
矢量网络分析仪24采用的是GRATTEN安泰信GA3623高精度3GHz矢量网络分析仪，具有高灵敏度、高可靠性和低噪声等优点，是分析LED调制带宽的关键仪器。CH1输出交流信号，在300kHz-3GHz范围内进行频谱扫描，CH2接收经光电线路传输的最终电信号，进而绘制频率响应曲线以获取对应的-3dB频率即LED的调制带宽。
直流电源11的CH1输出直流信号与矢量网络分析仪24的CH1输出交流信号分别输入到偏置器12的DC和RF端口，经偏置器12耦合的电信号从“DC&RF”端口输出并加载到激光器13上。
激光器13采用的是TO-18封装的波长为405nm的LD，在测试前将LD焊接在PCB电路板上。激光器13工作电压为3.5V-6V，当电流超过20mA时完全开启。如图2所示，激光器13的峰值波长为402.5nm。如图3所示，在输入电压为6V的极限情况下，激光器13的电流为203mA，调制带宽可达到994.87MHz。
透镜组14和透镜组21均为光学变焦镜头，透镜组14将激光器发射的光信号汇聚到LED样品32上，透镜组21将LED产生的光信号汇聚以便于光电探测器23捕获。
可移动底座31为三轴移动平台，可对其承载的LED样品32进行位置移动，从而使得激光信号能够精确且快速地扫描晶片上不同的LED阵列单元。
LED样品32在本实施例中采用的是氮化镓基蓝光LED外延片。LED具有高亮度、低能耗、长寿命、快响应等优势，可兼具照明光源和信息传输的双功能。同一晶片上加工出不同特性的LED阵列发光单元，可以通过本发明系统快速测试并比较其调制带宽。
滤光片22的作用是过滤激光，需要放置在光电探测器23探测窗口前，避免激光在光路中传输对LED可见光信号的测试造成干扰。
光电探测器23是一种APD雪崩光电探测器，用于接收光信号并将其转化成电信号，并输入到矢量网络分析仪24的CH2。工作波段处于380nm-780nm的可见光波长范围，可测的调制带宽上限为1.5GHz。光电探测器23的工作电压为12V，需要由直流电源11供电。
对于本实施例LED调制带宽快速测试系统，其测试过程如下：
发射阶段：直流电源11的CH1输出3.5V-6V的直流信号，CH2提供光电探测器23的12V工作电压。矢量网络分析仪24的CH1输出300kHz-3GHz交流信号，偏置器12将直流信号和交流信号耦合施加到激光器13中。激光器13发射的激光经透镜组14聚焦，投射到测试平台3的LED样品32上，驱动LED发光与通信。可移动底座31可承载并移动LED样品32，便于激光定位和扫描LED晶片不同的发光单元。
接收阶段：LED样品受激光驱动产生的可见光信号经过接收端组件2中的透镜组21聚焦，由滤光片22过滤激光信号的干扰，再通过光电探测器23转变成电信号，最终输入进矢量网络分析仪24的CH2进行频率响应的分析从而获取测试LED的调制带宽，最终输入进矢量网络分析仪24的CH2进行频率响应的分析从而获取测试LED的调制带宽。如图4所示，当激光器的注入电流达到200mA时，该LED样品的最大调制带宽为4.31MHz。
实施例2和实施例3除LED样品外采用的测试装置与测试过程均与实施例1相同，实施例2中LED样品为氮化镓基绿光LED外延片，实施例3中LED样品为氮化镓基紫光LED外延片。如图5所示，在激光器工作电流为200mA的条件下，实施例2和实施例3所测得的样品调制带宽分别为3.27MHz、5.05MHz，对不同样品的成功测试也进一步验证了本发明的可行性与适用性。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于LED调制带宽快速测试系统有了清楚的认识。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种LED调制带宽快速测试系统，其特征在于包括发射端组件、接收端组件以及测试平台；
所述发射端组件用于将电信号施加至激光器，生成加载信息的激光测试信号，该发射端组件至少包括：
信号产生元件，用于给激光器提供测试电信号；
激光器；
第一透镜组，用于将激光汇聚到待测LED样品上；
所述接收端组件用于接收LED样品受激产生的可见光信号，该接收端组件至少包括：
第二透镜组，用于汇聚LED样品产生的可见光信号；
滤光片，用于过滤掉产生的激光；
光电探测器，用于接收进入其探测窗口的LED样品产生的可见光信号并将其转换成电信号；
矢量网络分析仪，用于对发射端与接收端电信号进行分析，绘制出频率响应曲线以获取LED的调制带宽；
测试平台，用于放置待测的LED样品。
2.根据权利要求1所述的LED调制带宽快速测试系统，其特征在于所述发射端组件还包括光电支架，所述激光器放置于光电支架上且可通过光电支架对激光器的发射距离及角度进行调整。
3.根据权利要求2所述的LED调制带宽快速测试系统，其特征在于所述信号产生元件由直流电源的直流信号产生部分以及矢量网络分析仪的交流信号产生部分共同组成。
4.根据权利要求3所述的LED调制带宽快速测试系统，其特征在于还包括偏置器，所述偏置器用于将直流电源产生的直流信号与矢量网络分析仪产生的交流信号耦合，将耦合后的电信号加载到激光器上。
5.根据权利要求3所述的LED调制带宽快速测试系统，其特征在于所述测试平台具备三轴可移动底座，通过控制LED样品进行移位扫描。
6.根据权利要求1所述的LED调制带宽快速测试系统，其特征在于所述第一透镜组和第二透镜组均为光学变焦镜头。
7.一种LED调制带宽快速测试方法，其特征在于其步骤包括：
（1）给激光器施加电压信号，使激光器发射激光；
（2）激光器发射的激光投射到待测LED样品上，驱动LED样品发光；
（3）LED样品受激光驱动产生的可见光信号通过光电探测器转变成电信号，再输入进矢量网络分析仪进行分析从而获取测试LED的调制带宽。
8.根据权利要求7所述的LED调制带宽快速测试方法，其特征在于步骤（1）具体为直流电源输出3.5V-6V的直流信号，矢量网络分析仪输出300kHz-3GHz的交流信号，将直流信号和交流信号耦合后施加到激光器中，以激发激光器发射激光。
9.根据权利要求7所述的LED调制带宽快速测试方法，其特征在于步骤（2）具体为激光器发射的激光经透镜聚焦后，再投射到LED样品上。
10.根据权利要求7所述的LED调制带宽快速测试方法，其特征在于步骤（3）具体为LED样品产生的可见光信号经过透镜聚焦，再过滤激光信号的干扰，然后通过光电探测器转变成电信号，最终输入进矢量网络分析仪进行频率响应的分析从而获取测试LED样品的调制带宽。
11.激光在测试LED样品的调制带宽中的应用。
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| CN117452175A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-26 | 国科大杭州高等研究院 | 一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法 |
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- 2023-02-22 CN CN202310150490.2A patent/CN116470960A/zh active Pending
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| CN117452175A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-26 | 国科大杭州高等研究院 | 一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法 |
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