基于LabVIEW的半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)*

基金項目：廣東省科技計劃項目（科技創(chuàng)新平臺類）高水平創(chuàng)新研究院（2019B090909010）

作者簡介：代華斌（1980—），高級工程師，主要工作內(nèi)容為半導(dǎo)體行業(yè)非標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：daihuabin@xiopmh.com。

隨著我國半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的逐漸成熟，有關(guān)半導(dǎo)體激光器的測試的方法逐步完善，國標(biāo)GB-31359-2015[1] 的發(fā)布，為半導(dǎo)體激光器的測試提供了指導(dǎo)性的原則。本文參照國標(biāo)GB-31359—2015 所規(guī)定的半導(dǎo)體激光器測試規(guī)范，提取部分測試參數(shù)，表征激光器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)特性。本文將激光器測試項目分為2 類，即激光器的PIV 特性（包括輸出光功率、平均功率、峰值功率、工作電流、工作電壓、閾值電流、斜率效率、光電轉(zhuǎn)換效率）以及光譜特性（包括峰值波長、譜寬度、中心波長），測試系統(tǒng)采用LabVIEW 軟件編寫，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的自動測試，在測試完成后實現(xiàn)自動測試報表，為批量生產(chǎn)提供依據(jù)。

1   PIV特性測試

半導(dǎo)體激光器的PIV 測試是指在激光器加電過程中，對其功率、電流、電壓曲線進行實時測試，同時對激光器的一些關(guān)鍵指標(biāo)進行計算。這些指標(biāo)包括如下。

1.1 功率測試^[2]

功率測試包括輸出光功率測試、平均功率測試及峰值功率測試，其測試裝置組成如圖1 所示。

圖1 功率測試系統(tǒng)組成

其中，1 為半導(dǎo)體激光器；2 為驅(qū)動電源，3 為光束整形器（適用時）；4 為衰減器（適用時）；5 為光閘（適用時）；6 為激光能量計或功率計。

輸出光功率為：

其中，P_op 為輸出光功率；τ_j 為衰減透射比；n 為測試次數(shù)；p_i 為第i 次記錄光功率值。

平均功率為：

其中，P_avg 為平均功率；n 為測試次數(shù)；P_opi 為第i 次測得的輸出光功率。

峰值功率為：

其中，P_p 為峰值功率；τ_j 為衰減器的透射比， n 為測試次數(shù)；P_pi 為第i 次記錄的峰值功率讀數(shù)。本文中功率測量采用積分球測得。

1.2 閾值電流

根據(jù)GB/T 31359—2015 中所述，對光功率曲線進行擬合，本文計算方法采用方法三進行閾值電流計算，如圖2 所示。

圖2 閾值電流計算的3種方法

閾值電流為：

閾值電流為的極大值，對應(yīng)電流即

1.3 斜率效率

斜率效率的計算如圖3 所示。

圖3 斜率效率計算

斜率效率為：

其中，ΔI=I2-I1；ΔP=P2-P1；SE 為斜率效率；I₂ 為工作電流I_op 的90%；P₂ 為工作電流I₂ 下對應(yīng)的激光功率；

I₁ 為工作電流I_op 的30%；P₁ 為工作電流I₁ 下對應(yīng)的激光功率。

1.4 光電轉(zhuǎn)換效率

激光器的光電轉(zhuǎn)換效率為：

其中，η_p 為光電轉(zhuǎn)換效率；I_F 為規(guī)定的工作電流；PF 為規(guī)定工作電流IF 對應(yīng)的激光功率；VF 為規(guī)定電流IF 對應(yīng)的正向電壓。在實際工作過程中，系統(tǒng)的激光器采用步進加電過程，其斜率效率實際為一條隨電流增加而不斷變化的曲線，在為工作電流加電的過程中，將光電轉(zhuǎn)換效率的最大值作為所測激光器的光電轉(zhuǎn)換效率極值。

2   光譜特性測試

半導(dǎo)體激光器的光譜特性測試是指在恒定工作電流條件下，激光器對其光譜特性指標(biāo)的測量及計算，這些參數(shù)包括如下。

2.1 峰值波長

峰值波長是指施加電流到恒定值時激光器所呈現(xiàn)的波長特性，取光譜強度最大Ih 對應(yīng)的波長λp 為峰值波長，如圖4 所示。

圖4 激光器峰值波長

2.2 譜寬度

譜寬度指將激光器施加電流到恒定值時，根據(jù)光譜強度與波長所得到的分布曲線，找到最大光譜強度50%所對應(yīng)的最大光譜間隔，如圖5 所示。

圖5 激光器譜寬度

譜寬度：

其中，Δλ_FWHM 為譜寬度；λ₁ 為最大光譜強度50% 所對應(yīng)的最短波長；λ2 最大光譜強度50% 所對應(yīng)的最長波長。

2.3 中心波長

中心波長指將激光器施加電流到恒定值時，根據(jù)光譜強度與波長所得到的分布曲線，找到最大光譜強度50% 所對應(yīng)的光譜間隔平均值。

圖6 激光器中心波長

中心波長：

其中，λ_c 為中心波長；λ₁ 為最大光譜強度50% 所對應(yīng)的最短波長；λ₂ 最大光譜強度50% 所對應(yīng)的最長波長。

3   測試系統(tǒng)實現(xiàn)

本文采用LabVIEW 編程對測試進行了系統(tǒng)實現(xiàn)，具體包含硬件平臺搭建與軟件實現(xiàn)兩部分。

3.1 硬件平臺搭建

本文所述系統(tǒng)采用積分球作為激光功率及光譜信息收集設(shè)備，采用光功率探測器PD100 以及光譜分析儀USB2000 分別進行光功率及光譜信號的收集。這樣做的好處在于，對于大功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品而言，積分球可以有效降低探測位置側(cè)的功率，使得探測器所承受的能量值大為降低，同時提高整個系統(tǒng)的測試量程。

由于半導(dǎo)體激光器在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，一般采用冷水機設(shè)定溫度進行產(chǎn)品制冷。^[3] 在完成測試后，對殘留在產(chǎn)品中的水進行吹氣排水處理。為提高測試產(chǎn)品的自動化程度，將系統(tǒng)在功能上分為產(chǎn)品裝卸產(chǎn)品位置與測試位置，首先，在產(chǎn)品裝卸位置采用氣缸對激光器進行自動夾持，開啟水路制冷，然后采用高精度絲杠帶動產(chǎn)品進入測試位置開始自動測試。測試完成后，系統(tǒng)將自動生成測試報表，并回到初始裝卸位置，進行吹氣排水處理，待下一個產(chǎn)品的測試。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖7 所示。

從圖中可以看出，安裝在積分球上的功率探頭及光譜光纖可以對激光器工作的全過程進行檢測，數(shù)據(jù)通過工控機數(shù)據(jù)采集卡進行采集處理，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)自動化。

3.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 進行編程，其測試系統(tǒng)主界面如圖8 所示。

圖8 測試系統(tǒng)主界面

該系統(tǒng)軟件分為PIV 測試及光譜測試兩部分，系統(tǒng)可以對激光器加電過程中的特性進行實時曲線記錄，同時給出各測量值的測試結(jié)果。在系統(tǒng)測試完成后，系統(tǒng)自動形成報表，如圖9 所示。

圖9 激光器測試報表

本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)平臺搭建系統(tǒng)，如圖10 所示，可以實現(xiàn)不同封裝形式的模塊化切換，整個系統(tǒng)測試節(jié)拍為30 s/ 個。

圖10 半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)

4   結(jié)束語

本文通過對GB-31359—2015 半導(dǎo)體激光器測試方法系統(tǒng)化解讀，選擇其中部分關(guān)鍵性指標(biāo)，對半導(dǎo)體激光器的全過程測試進行了系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠?qū)Π雽?dǎo)體激光器相關(guān)性能進行快速測試并提供數(shù)據(jù)報表，為企業(yè)批量生產(chǎn)提供依據(jù)。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T31359—2015 半導(dǎo)體激光器測試方法[S].http://www.doc88.com/p-1718601765856.html.

[2] 范賢光,孫和義,唐文彥,等.連續(xù)半導(dǎo)體激光器LIV特性測試系統(tǒng)設(shè)計[J].激光與紅外,2007(2):167-169.

[3] 項勤建,劉爽.一種半導(dǎo)體激光器參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].光電器件, 2009(9):374-376.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）