CN211348528U - 一种光功率监测单元及光功率监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于超高温老化测试的光功率监测单元及光功率监测装置，其中光功率检测单元包括加热金属块、半导体发光芯片、准直器和光电传感器；半导体发光芯片放置在加热金属块上方，在通电时能发出发散的光，准直器设置在所述发散的光的传输路径中，将发散的光变成准直或近准直光束，光电传感器接收经过一定行程之后的准直光束，检测到所监测的半导体发光芯片的光功率。准直光束的传输路径内可以设有一个或多个反射镜，改变光的传输路径。通过采用准直器，将发散的光变成准直或近准直光束，使激光在经过一定的行程之后到达光电二极管，减弱加热金属块对光电二极管的热辐射，使光电二极管支持超高温的老化监测，同时有效提高光电二极管的使用寿命。

Description

一种光功率监测单元及光功率监测装置

技术领域

本实用新型涉及老化测试领域，特别涉及一种用于超高温老化测试的光功率监测单元及光功率监测装置。

背景技术

所有的半导体元件都需要一定程度的老化才能筛选出不良芯片，从而筛选剔除失效或变值的元器件，保证出厂的产品能经得起时间的考验。激光或LED设备的老化测试通常需要监测光功率，为了了解芯片的良率通常还需要监测波长性能，光谱性能的监测则对失效分析有附加的价值。现在市场上现有的大多数老化设备都提供电压/电流供应和测量能力，其中一些提供光功率电压/电流测试能力(LIV或有时称为PIV)。

根据产品的形式，高温老化的温度通常分为三个量级：85度(设备级)、125度(芯片操作级)和175度(芯片存储级)。但是一般的光电二极管最高工作温度只有80度左右，无法适应超高温，即85度以上温度。并且由于激光二极管(LD)的光发散角通常是数值孔径 (NA)大于0.2，因此必须将监测PD放置在高温老化块附近以便更好地捕获光束，同时也有助于减少来自相邻LD的光散射。但是，辐射引入局部温度升高到足以影响监测PD的可靠性大大降低了监测PD的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题：提供用于超高温老化测试的光功率监测单元及光功率监测装置，解决光电二极管不支持超高温老化监测以及使用寿命短的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所提供的技术方案为：

一种用于超高温老化测试的光功率监测单元，包括加热金属块、半导体发光芯片、准直器和光电传感器；半导体发光芯片设置在加热金属块上方，并且在通电时能发出发散的光，准直器设置在发散的光的传输路径中，将发散的光变成准直或近准直光束，光电传感器接收经过一定行程之后的准直光束，检测到所监测的半导体发光芯片的光功率。

按照上述方案，准直光束的传输路径内可以设置一个或多个反射镜，经反射镜反射的准直光束传输到光电传感器。

按照上述方案，准直器为准直透镜，光电传感器为光电二极管。

按照上述方案，准直光束的传输路径内设有可移动光学元件插入板，光学元件插入板上设有至少一个元件孔，元件孔内设有光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器。光学元件插入板上还可以设有通孔，准直光束通过该通孔入射到光电传感器上。该通孔也可以是不放置元件的元件孔而形成的通孔。

按照上述方案，还包括光学元件移动结构，光学元件移动结构包括线性执行器，线性执行器带动光学元件插入板线性运动。可以手动对准也可以通过设备自动对准：

光学元件移动结构还包括位置传感器，位置传感器根据实时位置进行闭环反馈，控制准直光束对准光学元件插入板上的光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器。

为了便于工业化测试，本实用新型还提供一种用于超高温老化测试的光功率监测装置，该装置包括呈阵列排布的光功率监测单元，光功率监测单元为设有至少一个反射镜或者不设反射镜的光功率监测单元。

按照上述方案，该光功率监测装置还包括光学元件插入板和光学元件移动结构，光学元件移动结构包括线性执行器和位置传感器，光学元件插入板设置在准直光束的传输路径内，且光学元件插入板上阵列排布有与光功率监测单元相对应的元件孔组，每组元件孔组包括至少一个通孔和一个元件孔，元件孔内安装光衰减器、线性透射率滤波器或者线性偏振器，线性执行器以推或拉的方式带动光学元件插入板相对运动，并由位置传感器根据实时位置进行闭环反馈，控制准直光束按照需求对准光学元件插入板上的通孔或者元件孔。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的光功率监测单元通过采用准直器，将发散的光变成准直光束，可以传输更远的距离，从而扩大从半导体发光芯片到光电二极管的距离，使激光在经过一定的行程之后，才到达光电二极管，有利于减弱加热金属块对光电二极管的热辐射，从而降低光电二极管上升的温度，使光电二极管支持超高温的老化监测，同时有效提高光电二极管的使用寿命。将光功率监测单元呈阵列排布，可以同时测量多个半导体发光芯片，省时高效。

进一步地，通过设置一个或多个反射镜，可以改变光束的传输路径。光束传输路径可以是直的，也可以弯折90度，甚至多路径弯折。其中，直线传输路径，可以减少反射镜的使用数量。在空间约束下，通常使用弯折结构，例如90度，进一步减少从加热器块到光电传感器的热辐射，从而使热辐射引起的温度升高最小，保证半导体发光芯片在超高温老化测试中的波长、功率监测装置的稳定性。

通过光学元件插入板可以将不同的光学元件插入到光路中，以测量不同的老化参数：通过控制准直光束通过光衰减器，可以扩大最大可检测功率，同时防止光功率超过光电二极管的最大测量功率而误测；通过控制准直光束通过线性透射率滤波器可以测量波长；通过控制准直光束通过线性偏振器可以测量偏振旋转老化特性。为了方便测量，可以在光学元件插入板上设置通孔，这样无需将插入板完全移除来测不通过光学元件的光功率。同时可以引入光学元件移动结构，控制准直光束按照测量需求对准光学元件插入板上的光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一的光功率监测单元结构示意图；

图2为本实用新型的实施例二的设有反射镜以及光学元件插入板的光功率监测单元的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例三的光学元件移动结构的示意图；

图4为本实用新型的线性透射率滤波器的透射率-波长曲线图；

图5为本实用新型的实施例四的光功率监测装置的示意图。

图中：1—光电二极管(PD)，2—准直光束，3—半导体发光芯片，4—准直透镜，5—加热金属块，6-光学元件插入板，7-线性执行器，8-位置传感器，9-元件孔，10-反射镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型做进一步说明。

本实用新型的实施例一公开了一种用于超高温老化测试的光功率监测单元的具体结构，如图1所示，包括光电二极管1、半导体发光芯片3、准直透镜4、加热器金属块5。其中，光电二极管1是一个由PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性，能把光信号转换成电信号，也可以使用光电传感器，因此可以测得半导体发光芯片3的光功率。加热器金属块 5，采用加热器件按照不同的需求将金属块加热，以满足半导体发光芯片老化所需要的温度。半导体发光芯片3，如激光二极管，位于加热金属块5的附近，在通电的情况下可以发光，激光也会有一定的发散角，所以本文中的发散的光包括激光。准直透镜4是由透明物质(如玻璃、水晶等)制成的一种光学元件，设置在半导体发光芯片3所发出的光线的传输路径中，将发散的光变成准直的光束，也可以采用其他的光准直装置。

通过不同透镜或其他光学元件将发散的光变成准直的光束，从而可以扩大从半导体发光芯片到光电二极管的距离，使光在经过一定的行程后再到达光电二极管1，减少加热金属块 5对光电二极管1的热辐射；同时以便可以将诸如衰减器的滤光片、线性透射率滤光片等其他光学元件插入到测试系统中，更好地筛选失效的芯片。对于激光二极管，受光电二极管1 单位面积内可接受的光功率密度的限制、以及激光发散角对透镜型号要求等因素，需要用一种带有微聚焦功能的准直透镜将激光器出光光束转换为准直光；同时，也可以保证光路中其他光学元件例如线性滤波器、衰减器等不会受到损坏。此外，传输的光束主要是准直光束，或具有光聚焦的准直光束，这样可以匹配透镜上的光斑直径差，以达到实际意义上激光二极管的数值孔径和透镜焦距与光电二极管收光面积和完美配合。

本实用新型的实施例二公开了一种设有反射镜的光功率监测单元。如图2所示，在准直光束2的传输路径内设有一个反射镜10，从而改变光束2的传输路径。也可以根据需要在准直光束2的传输路径内设置一个或多个反射镜10。光束传输可以是直的，也可以弯折90度，或者多路径弯折。在空间约束下，通常使用弯折结构，如图2所示。具有弯折结构的光束传输，例如90度，可以进一步减少加热器对PD的热辐射。

为了更好地筛选失效的芯片，需要使用各种各样的光学过滤片。如图2所示，可以在准直光束的传输路径内设置一个可移动的光学元件插入板6，光学元件插入板6上设有元件孔 9，元件孔9内可设有光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器等光学元件。也可以在光学元件插入板上设置通孔，这样可以在不需要使用光学元件时，无需取出光学元件插入板6。通孔也可以由不设光学元件的元件孔9形成。

光学元件插入板上设置的光学元件的作用如下：

通过通孔可以直接检测半导体发光芯片的光功率。

通过插入光学衰减滤波器以测量高于光电二极管最大电流转换范围的高功率，使用典型的15-25dB衰减器将光功率检测增加到1W或以上。通常插入光衰减器来放大最大可检测功率，同时能够减少光学饱和引起的误检情况

通过线性透射率滤波器可以测波长。通过插入线性透射率滤波器来测量光功率，这样当激光在单波长上发射单模时，就可以利用有滤光片和无滤光片的相对功率比来确定光波长。线性透射率滤波器也可用于具有一对波长的多模式。如图5所示，线性透射率滤波片(LTF) 在一个特定的波长范围内它的透射率随波长是线性变化的，线性透射率滤波片(LTF)在一个特定的波长范围内它的透射率随波长是线性变化的，它被应用于波长的识别。LTF的透射率必须是单调的以保证滤波片的透射率与给定波长之间存在一一对应的关系。在数学上，滤波函数可以描述为一个线性或二阶多项式方程。在实际应用中，利用计算机辅助功能标定，通常可以将图中的传递函数分段截断为若干线性函数范围和线性插值。

在线性函数的基础上，光的波长与透射率一一对应，通过光功率读数的比率实现波长检测，符合以下方程：

Trans＝aλ+b

其中，Trans为光的透射率，I₀为通过线性透射率滤波器前的光功率，I_filter为通过线性透射率滤波器后的光功率，λ为光的波长。

光波长提取不局限于线性格式，只要传输的光功率依赖性是单调的，就可以使用多项式、正弦、指数等拟合函数，也可以截断为多段线性插值。

如果入射光有多个波长，多个模式，则透过的功率是多个透射率下的透射功率的和。

通过线性偏振器测量半导体发光芯片的偏振旋转老化特性。

本实用新型的实施例三公开了带有光学元件移动结构的光功率检测单元。为了使准直光束准确通过设置的通孔和光学元件，通常引入自动运动系统来移动光学元件插入结构。如图 3所示，该结构包括线性执行器7和位置传感器8，光学元件插入板6连接线性执行器7和位置传感器8。线性执行器7以推或拉的方式带动光学元件插入板6相对运动，并由位置传感器8根据实时位置进行闭环反馈，从而准确控制准直光束按照测量需要求通过通孔、光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器，使光电二极管1能够检测不同的光学特性。

本实用新型实施例的光功率检测装置，包括多个呈阵列排布的光功率检测单元。光功率检测单元为上文实施例中的光功率检测单元，在此不赘述。

如图5所示，本发明实施例四中，光功率检测装置由设有一个反射镜的用于超高温老化测试的光功率监测单元阵列排布组成，适用于工业化大批量测试。为了节省资源，可以仅使用一整块加热金属块。为了方便取出以及使用，也可以将该装置设置成抽屉的形式，抽屉的两侧各设置一排芯片检测单元，多抽屉同时置于一个高温老化箱中进行老化测试。

该光功率监测装置还可包括光学元件插入板6和光学元件移动结构，光学元件移动结构包括线性执行器7和位置传感器8，光学元件插入板6设置在准直光束2的传输路径内，且光学元件插入板6上阵列排布有与光功率监测单元相对应的元件孔组，每组元件孔组包括至少一个通孔和一个元件孔9，元件孔9内安装光衰减器、线性透射率滤波器或者线性偏振器等光学元件，线性执行器7以推或拉的方式带动光学元件插入板6相对运动，并由位置传感器8根据实时位置进行闭环反馈，控制准直光束2按照需求对准光学元件插入板6上的通孔或者元件孔9。

此外，元件孔组的排布方式主要有两种：第一种排布方式为通孔和光学元件按照一定的顺序排成横排，然后该横排横向重复排列，排成一长排；此方式，相邻的半导体发光芯片之间的距离要大于等于横排的长度。第二种排布方式为通孔和光学元件按照一定的顺序排成横排，然后该横排纵向重复排列。这样，线性执行器通过移动光学插入板可以使众多准直光束按照测试需求同时通过通孔或某一个特定的光学元件。

本实用新型适用于FP、DFB/DML、EML激光芯片的老化，特别是大规模生产的光芯片，包括通信用的半导体激光器芯片，如FP型、DFB型、EML型，光探测器芯片，如PD、APD，光波导芯片，如PLCS等，以及VCSEL激光器大功率LD老化测试。

以上实施例以及原理仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡是依据本实用新型的技术实质所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光功率监测单元，其特征在于：包括加热金属块、半导体发光芯片、准直器和光电传感器；所述半导体发光芯片设置在加热金属块上方，并且在通电时能发出发散的光，所述准直器设置在所述发散的光的传输路径中，将发散的光变成准直或近准直光束，所述光电传感器接收经过一定行程之后的准直光束，检测到所监测的半导体发光芯片的光功率。

2.根据权利要求1所述的光功率监测单元，其特征在于：所述准直或近准直光束的传输路径内设有一个或多个反射镜，经反射镜反射的准直光束传输到所述光电传感器。

3.根据权利要求1所述的光功率监测单元，其特征在于：所述准直器为准直或近准直透镜。

4.根据权利要求1所述的光功率监测单元，其特征在于：所述光电传感器为光电二极管。

5.根据权利要求1所述的光功率监测单元，其特征在于：所述准直光束的传输路径内设有可移动光学元件插入板，所述光学元件插入板上设有至少一个元件孔，所述元件孔内设有光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器。

6.根据权利要求5所述的光功率监测单元，其特征在于：所述光学元件插入板上还设有通孔，所述准直光束通过该通孔入射到所述光电传感器上。

7.根据权利要求5所述的光功率监测单元，其特征在于：还包括光学元件移动结构，所述光学元件移动结构包括线性执行器，所述线性执行器带动光学元件插入板线性运动。

8.根据权利要求7所述的光功率监测单元，其特征在于：所述光学元件移动结构还包括位置传感器，所述位置传感器根据实时位置进行闭环反馈，控制准直光束对准光学元件插入板上的光衰减器、线性透射率滤波器或线性偏振器。

9.一种光功率监测装置，其特征在于：包括呈阵列排布的光功率监测单元，所述光功率监测单元为权利要求1或2所述的光功率监测单元。

10.根据权利要求9所述的光功率监测装置，其特征在于：该光功率监测装置还包括光学元件插入板和光学元件移动结构，所述光学元件移动结构包括线性执行器和位置传感器，所述光学元件插入板设置在准直光束的传输路径内，且光学元件插入板上阵列排布有与光功率监测单元相对应的元件孔组，每组元件孔组包括至少一个通孔和一个元件孔，元件孔内安装光衰减器、线性透射率滤波器或者线性偏振器，所述线性执行器以推或拉的方式带动光学元件插入板相对运动，并由所述位置传感器根据实时位置进行闭环反馈，控制准直光束按照需求对准光学元件插入板上的通孔或者元件孔。

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