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新方法改进了激光二极管的检测

新方法改进了激光二极管的检测

点击数:7431 次   录入时间:03-04 12:04:03   整理:http://www.55dianzi.com   元器件检测

  激光二极管的基本检测是光-电流-电压(LIV)曲线,即同时测量电和光的输出功率特性。这种测试可以在生产的任何阶段进行,但首先用于激光二极管的挑选,即提前排除坏的二极管。

  对被测器件进行电流扫描,记录每一步扫描的电压,同时,使用仪表监测光输出功率。这个测试最好以脉冲方式在生产初期,在激光二极管被装进模块之前进行。此时,二极管仍处于原始状态,脉冲检测是必要的,因为此时组件没有温度控制电路。如果用直流电测试,至少会改变它们的特性,最坏会将它们损坏。在随后的生产中,当它们被安装在有温度控制的模块中时,可用直流电进行测试,结果可与脉冲测试对比。另外,一些二极管能通过直流测试但不能通过脉冲测试。

  分析LIV测试数据可以确定激光器的特性,包括产生激光的临界电流、量子效率和输出的非线性特性(图1)。

       检测激光二极管需要一个恰当形式的电流脉冲。它应尽快地达到满电流状态,并保持足够长时间的平稳,以确保结果的准确。在最初阶段的测试中,一般使用宽度为0.5ms到1ms的脉冲。电流变化范围从几十毫安到5安培。

                              分析LIV测试数据可以确定激光器的特性,包括产生激光的临界电流、量子效率和输出的非线性特性

                                                         图一


       阻抗匹配

  要传递高速电流脉冲给激光二极管,同时要避免反射问题,一般认为可以选用传输线——例如一段 同轴电缆 。但最常用的那种同轴电缆有50Ω的阻抗,而二极管的阻抗大约为2Ω,很不匹配。尽管可以串联一个48Ω的电阻,但这样将产生新的问题;50Ω的系统通过5A电流将需要250V的电压,这对于人和设备都是十分危险的。此外,由于激光器的动态电阻随电流增大而减少,所以测试条件随测试进程而改变。

  使用低阻抗同轴电缆可能是一个有效的解决办法,但这样做会改变激光二极管的动态电阻。另外一个办法是:用两根10Ω的同轴电缆连接激光二极管,在电缆两端施加脉冲电流(图2)。这样,对二极管施加小于10V的电压就可产生5A电流。因为系统有电流源,避免了二极管动态电阻改变带来的问题。

  即使最仔细地对阻抗进行匹配,也不可能完美,因此使用尽可能短的传输线是很实际的方法。这也是为了将连接激光二极管的回路面积减少到最小。

                              在电缆两端施加脉冲电流

                                 

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       电测量

  在 激光 二极管上加上高速脉冲时,测量它的电压和电流不太容易。用阴极射线管探测器来测量电压也会引发问题,其中一个问题是如何接地。探测器的频率范围必须达到1GHz。

  电流测量就简单一点。用一个低值电阻器(阻值低于激光二极管的电阻)与二极管串联就能进行测量,但要求电阻器的电容和电感系数很低。绕线电阻器有电感损耗,所以不适于高频测试。

       选择光探测器

  现有三种常用探测器材料:硅、锗和铟镓砷(InGaAs),每一种有它自己的优点和缺点。如图3所示,探测器的选择很大程度上取决于它所适应的波长。当波长小于800nm时,硅是唯一的选择。但电信领域中常用的波长在1300nm到1700nm之间,这时铟镓砷是最好的,因为它的响应特性在此区间非常平稳。然而,铟镓砷对脉冲的响应存在问题。为避免激光二极管过热,最好用足够短的脉冲来测试,但铟镓砷探测器却需要足够长的时间来达到某种稳定状态。

  如图4所示,即使在10微秒脉冲内,铟镓砷探测器也很不稳定。如果脉冲宽度减少到1微秒,这问题将会更严重。锗探测器不存在这种问题,所以它更适用于短脉冲。

                        三种常用探测器材料脉冲响应问题

                                                            图三

                      铟镓砷探测器
                                                                    图四


       探测器耦合

  有几种方法可以将激光二极管的输出耦合到探测器。一种方法是将激光直接打到探测器上,但这种方法有几个缺点。其一,不能保证所有的光都照射到探测器上。例如,发射光束的截面是椭圆形的,或者光束的直径大于探测器的有效接收区域,再或者发射光束没有对准探测器,这些都会导致一部分光丢失。其二,一些探测器对偏振敏感,这将引发更多的错误。其三,一些高功率激光二极管的输出会使许

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                            积分球与激光二极管

                                                            图五


       检测速度

  曾经有段时间, 光纤 通信设备的需求超过供给,生产商的效率成了次要的问题。然而,今天检测工作也必须像其它事情一样快速、准确和便宜。这表明光功率计不是好的选择,这种仪器的检测时间过长。

  为避免这个问题,标准的做法是使用一套仪器,包括脉冲源、光测量部件(光敏二极管探测器等)、一对高速电流电压转换器和一个高速多信道数字取样示波器(DSO)。脉冲源产生脉冲,其它仪器测量电学和光学响应。

  这一过程可能需要几千个脉冲。有时候每一个电平就有几百个脉冲。这样看起来是提高了灵敏度、准确度和精确度,但掩盖了波形扭曲的问题。这也是一个漫长的过程,每个被测设备要花费几十秒到几分钟的时间。这套系统每天大约能测2500个零件,每套检测设备大约花费15万美元。

  更新的办法是在一个单一仪器中包括所有功能。这种仪器本质上是一个脉冲源测量单元,其输出阻抗和电缆与 激光 二极管的阻抗十分匹配。系统的测量部分将多通道数据采集、专门的定时电路、高速电流电压转换器和数字信号处理器(DSP)整合为一体,数字信号处理器仿效DSO的功能并控制测量程序。

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