新方法改進(jìn)了激光二極管的檢測(cè)

　　 電信用高功率激光二極管的檢測(cè)存在一些誤差源。這些誤差源包括耦合高電流脈沖、光探測(cè)器耦合、探測(cè)器本身的慢速響應(yīng)和誤差。處理好這些問(wèn)題，就可以縮短測(cè)試時(shí)間、提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，降低不合格率。

　　LIV曲線(xiàn)

　　激光二極管的基本檢測(cè)是光-電流-電壓（LIV）曲線(xiàn)，即同時(shí)測(cè)量電和光的輸出功率特性。這種測(cè)試可以在生產(chǎn)的任何階段進(jìn)行，但首先用于激光二極管的挑選，即提前排除壞的二極管。

　　對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行電流掃描，記錄每一步掃描的電壓，同時(shí)，使用儀表監(jiān)測(cè)光輸出功率。這個(gè)測(cè)試最好以脈沖方式在生產(chǎn)初期，在激光二極管被裝進(jìn)模塊之前進(jìn)行。此時(shí)，二極管仍處于原始狀態(tài)，脈沖檢測(cè)是必要的，因?yàn)榇藭r(shí)組件沒(méi)有溫度控制電路。如果用直流電測(cè)試，至少會(huì)改變它們的特性，最壞會(huì)將它們損壞。在隨后的生產(chǎn)中，當(dāng)它們被安裝在有溫度控制的模塊中時(shí)，可用直流電進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果可與脈沖測(cè)試對(duì)比。另外，一些二極管能通過(guò)直流測(cè)試但不能通過(guò)脈沖測(cè)試。

　　分析LIV測(cè)試數(shù)據(jù)可以確定激光器的特性，包括產(chǎn)生激光的臨界電流、量子效率和輸出的非線(xiàn)性特性（圖1）。

　　檢測(cè)激光二極管需要一個(gè)恰當(dāng)形式的電流脈沖。它應(yīng)盡快地達(dá)到滿(mǎn)電流狀態(tài)，并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確。在最初階段的測(cè)試中，一般使用寬度為0.5ms到1ms的脈沖。電流變化范圍從幾十毫安到5安培。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖一

　　阻抗匹配

　　要傳遞高速電流脈沖給激光二極管，同時(shí)要避免反射問(wèn)題，一般認(rèn)為可以選用傳輸線(xiàn)——例如一段同軸電纜。但最常用的那種同軸電纜有50Ω的阻抗，而二極管的阻抗大約為2Ω，很不匹配。盡管可以串聯(lián)一個(gè)48Ω的電阻，但這樣將產(chǎn)生新的問(wèn)題；50Ω的系統(tǒng)通過(guò)5A電流將需要250V的電壓，這對(duì)于人和設(shè)備都是十分危險(xiǎn)的。此外，由于激光器的動(dòng)態(tài)電阻隨電流增大而減少，所以測(cè)試條件隨測(cè)試進(jìn)程而改變。

　　使用低阻抗同軸電纜可能是一個(gè)有效的解決辦法，但這樣做會(huì)改變激光二極管的動(dòng)態(tài)電阻。另外一個(gè)辦法是：用兩根10Ω的同軸電纜連接激光二極管，在電纜兩端施加脈沖電流（圖2）。這樣，對(duì)二極管施加小于10V的電壓就可產(chǎn)生5A電流。因?yàn)橄到y(tǒng)有電流源，避免了二極管動(dòng)態(tài)電阻改變帶來(lái)的問(wèn)題。

　　即使最仔細(xì)地對(duì)阻抗進(jìn)行匹配，也不可能完美，因此使用盡可能短的傳輸線(xiàn)是很實(shí)際的方法。這也是為了將連接激光二極管的回路面積減少到最小。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖二

　　電測(cè)量

　　在激光二極管上加上高速脈沖時(shí)，測(cè)量它的電壓和電流不太容易。用陰極射線(xiàn)管探測(cè)器來(lái)測(cè)量電壓也會(huì)引發(fā)問(wèn)題，其中一個(gè)問(wèn)題是如何接地。探測(cè)器的頻率范圍必須達(dá)到1GHz。

　　電流測(cè)量就簡(jiǎn)單一點(diǎn)。用一個(gè)低值電阻器（阻值低于激光二極管的電阻）與二極管串聯(lián)就能進(jìn)行測(cè)量，但要求電阻器的電容和電感系數(shù)很低。繞線(xiàn)電阻器有電感損耗，所以不適于高頻測(cè)試。

　　選擇光探測(cè)器

　　現(xiàn)有三種常用探測(cè)器材料：硅、鍺和銦鎵砷（InGaAs），每一種有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如圖3所示，探測(cè)器的選擇很大程度上取決于它所適應(yīng)的波長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)小于800nm時(shí)，硅是唯一的選擇。但電信領(lǐng)域中常用的波長(zhǎng)在1300nm到1700nm之間，這時(shí)銦鎵砷是最好的，因?yàn)樗捻憫?yīng)特性在此區(qū)間非常平穩(wěn)。然而，銦鎵砷對(duì)脈沖的響應(yīng)存在問(wèn)題。為避免激光二極管過(guò)熱，最好用足夠短的脈沖來(lái)測(cè)試，但銦鎵砷探測(cè)器卻需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)。

　　如圖4所示，即使在10微秒脈沖內(nèi)，銦鎵砷探測(cè)器也很不穩(wěn)定。如果脈沖寬度減少到1微秒，這問(wèn)題將會(huì)更嚴(yán)重。鍺探測(cè)器不存在這種問(wèn)題，所以它更適用于短脈沖。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖三

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　　　　　　　　　　　　　　　　　圖四

　　探測(cè)器耦合

　　有幾種方法可以將激光二極管的輸出耦合到探測(cè)器。一種方法是將激光直接打到探測(cè)器上，但這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。其一，不能保證所有的光都照射到探測(cè)器上。例如，發(fā)射光束的截面是橢圓形的，或者光束的直徑大于探測(cè)器的有效接收區(qū)域，再或者發(fā)射光束沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器，這些都會(huì)導(dǎo)致一部分光丟失。其二，一些探測(cè)器對(duì)偏振敏感，這將引發(fā)更多的錯(cuò)誤。其三，一些高功率激光二極管的輸出會(huì)使許多探測(cè)器達(dá)到飽和而失效。

　　積分球通常是最佳的解決方案，它是一個(gè)中空的球體，內(nèi)表面涂有高反射材料，有兩個(gè)端口，一端固定在探測(cè)器上，另一端用來(lái)輸入被測(cè)光（圖5）。積分球能接收從光源發(fā)出的所有的光，經(jīng)散射將光均勻分布在內(nèi)表面上，安裝在積分球側(cè)面的探測(cè)器能“看到”輸入光的一個(gè)固定比例（大約1%）。這樣既可以算出全部入射光的功率，還可以測(cè)量很高功率的光，而不必?fù)?dān)心探測(cè)器被損壞。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖五

　　檢測(cè)速度

　　曾經(jīng)有段時(shí)間，光纖通信設(shè)備的需求超過(guò)供給，生產(chǎn)商的效率成了次要的問(wèn)題。然而，今天檢測(cè)工作也必須像其它事情一樣快速、準(zhǔn)確和便宜。這表明光功率計(jì)不是好的選擇，這種儀器的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

　　為避免這個(gè)問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)的做法是使用一套儀器，包括脈沖源、光測(cè)量部件（光敏二極管探測(cè)器等）、一對(duì)高速電流電壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)高速多信道數(shù)字取樣示波器（DSO）。脈沖源產(chǎn)生脈沖，其它儀器測(cè)量電學(xué)和光學(xué)響應(yīng)。

　　這一過(guò)程可能需要幾千個(gè)脈沖。有時(shí)候每一個(gè)電平就有幾百個(gè)脈沖。這樣看起來(lái)是提高了靈敏度、準(zhǔn)確度和精確度，但掩蓋了波形扭曲的問(wèn)題。這也是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，每個(gè)被測(cè)設(shè)備要花費(fèi)幾十秒到幾分鐘的時(shí)間。這套系統(tǒng)每天大約能測(cè)2500個(gè)零件，每套檢測(cè)設(shè)備大約花費(fèi)15萬(wàn)美元。

　　更新的辦法是在一個(gè)單一儀器中包括所有功能。這種儀器本質(zhì)上是一個(gè)脈沖源測(cè)量單元，其輸出阻抗和電纜與激光二極管的阻抗十分匹配。系統(tǒng)的測(cè)量部分將多通道數(shù)據(jù)采集、專(zhuān)門(mén)的定時(shí)電路、高速電流電壓轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）整合為一體，數(shù)字信號(hào)處理器仿效DSO的功能并控制測(cè)量程序。

　　這種儀器按照GPIB總線(xiàn)給定的檢測(cè)順序，由內(nèi)部的DSP進(jìn)行編程，決定LIV掃描的先後順序。一旦完成編程，就不需要其它設(shè)備的指令或計(jì)算機(jī)控制，數(shù)字信號(hào)處理器將獨(dú)自執(zhí)行脈衝的LIV掃描。實(shí)際上，儀器通過(guò)數(shù)字I/O端口直接給各部件提供控制信號(hào)。

　　通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈衝測(cè)量結(jié)果的快速分析，不再像以前那樣耗時(shí)。這樣將脈衝電流電壓檢測(cè)時(shí)間降低到了幾秒鐘，並且將軟件的複雜性降到了最低。

　　因單臺(tái)檢測(cè)只需幾秒鐘，即使在系統(tǒng)利用率只有85%的情況下，每天仍可對(duì)15000個(gè)二極管進(jìn)行檢測(cè)。購(gòu)買(mǎi)這樣的系統(tǒng)只需花費(fèi)原來(lái)價(jià)格的一小部分，但帶來(lái)了更高的生產(chǎn)能力。

　　這類(lèi)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成脈衝和非脈衝兩種模式。兩種功能可在同一個(gè)平臺(tái)使用，通過(guò)同樣的檢測(cè)通道對(duì)兩種類(lèi)型的LIV進(jìn)行掃描。比較脈衝式和非脈衝式的檢測(cè)結(jié)果可為被測(cè)器件的性能提供更完全的信息。

　　將所有相關(guān)功能合並到一個(gè)儀器中的第3代LIV檢測(cè)系統(tǒng)可大大提高檢測(cè)能力。