（计算机软件与理论专业论文）高功率半导体激光器阵列参数测试仪研制.pdf

曲线( p o w e r - c u r r e n t 曲线即光功率一电流曲线) 、v - - i 曲线( v o l t a g e - c u r r e n t 曲线 即电压一电流曲线) 、光谱特性曲线及相关参数自动进行测试。 系统的显著特点为： 1 、可实现连续测试，测试速度达3 支分； 2 、高可靠性脉冲驱动电源，使受试器件在测试过程中不会意外受损； 3 、采用半导体致冷器为执行元件的恒温测试台，保证了测试结果的准确性； 4 、系统软件部分设计采用w i n d o w s 风格，用户界面友好，易于显示、存储、 管理和打印测试结果。 系统开发过程中，我们测量了几十只半导体激光器，结果表明：该系统测量 速度快、测试精度高、重复性好。为开发和研制高性能的半导体激光器阵列提供 了有力的保障。 关键词：半导体激光器阵列测试系统连续测试 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e n e r a l l ys p e a k i n g , a st ot h em e a s u r e m e n to ft h ef i g u r e so fh i g h p o w e rl da r r a y , t h et r a d i t i o n a lw a yc o n c e r n e das y s t e mm a d eu po fo p t i c a lp o w e rm e t e r , h i g hq u a l i t y d r i v e lo p t i c a ls p e c t r o g r a p h t h e r ee x i s t e ds o m ed i s a d v a n t a g e si ns u c hs y s t e m s ：t h e l a r g es i z e ，u n a v a i l a b i l i t y o fc o n t i n u o u st e s t i n g , t h eh u g ec o s t ，a n dl o wl e v e lo f a u t o m a t i c s i z e b e s i d e sa st h ed i v e r g e n c ea n g l eo ft h el da r r a yi sw i d ew h i l et h ep o r to n c o m m o no p t i c a ls p e c t r o g r a p hi sl i m i t e d ，i tc a l ln o tp r o v i d eaa c c u r a t em e a s u r e m e n t t h e t e s t i n gs y s t e mo fh i g h - p o w e rl da r r a y i nt h i sp a p e rt h es y s t e ma d o p t st h e t e c h n o l o g yo fh i 曲p r e c i s ed a t as a m p l i n g , s w o n gd a t ap r o c e s s i n ga n d t h et e c h n o l o g yo f e x a c tm e c h a n i c a lo r i e n t a t i o n i tc a np r o v i d eaa c c u r a t ea u t o m a t i c a lt e s to fp l o tp o w e r c u r r e n t dc l l e ，v o l t a g e - c u r r e n t ( v - i ) c u r v e ，s p e c t n m ac u r v e a n df a r - f i e l dc u r v eo f l d t h em a i na d v a n t a g e so ft h i ss y s t e ma r e 1 t h i st e s t i n gs y s t e mc a nt e s tl a s e rd i o d ec o n t i n u o u s l y t h et e s t i n gs p e e d r e a c h e s3l a s e rd i o d e s m i n 2 d r i v e ro fh i g hr e l i a b i l i t y , a v o i d e dt h eu n e x p e c t e dd a m a g ed u r i n gt h et e s t 3 a d o p tt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ep l a t f o r mw i t hs e m i c o n d u c t o rc o o l e r ，m a d e t h e r e s u l ta c c u r a c y 4 t h es y s t e m ss o f t w a r ea d o p t sw i n d o w s s t y l e i th a sf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，a n d i t se a s yt os h o w , s t o r e ，m a n a g e ，a n dp r i n tt h et e s t i n gr e s u l t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , w eh a v eu s e dt h i st e s t i n gs y s t e mt ot e s td o z e n so f l a s e r d i o d e s t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mm e a s u r e sq u i c k l y , h a sh i g h l yp r e c i s i o n a n dc a nb ee a s i l yr e p e a t e d l ym a n i p u l a t e d k e yw o r d s ：n i g h p o w e r l d a r r a y , t e s t i n gs y s t e m ，c o n t i n u o u st e s t i n g 山东大学硕士学位论文 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家 有大部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文破查阅和借阅：本人授权山东大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 刷磴努节飙一， 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核 心技术，特别是高功率半导体激光器技术是发展国防工业的重要技术基础，在军 事上应用非常广泛，主要用于制导、引信、夜视光源、激光雷达、引爆、测距、 侦察和识别等等。除了军用以外，半导体激光器在医疗、加工、通讯、光盘、打 印、显示、计算机等领域也大显身手，且每年以2 0 以上的速度增加。 世界是各发达国家，如美、t b 、俄等都非常重视高功率半导体激光器列阵( 由 很多单管激光器件组合成的大功率激光器) 的研究、生产和应用，且已出现了多 种系列产品。国内，高功率半导体激光器的研制是“八五”、“九五”国防科工 委跨行业重点项目之一，也是国防十六项关键技术中光电技术的关键技术。通过 研究机构的不懈努力，很多研究机构和公司相继研制成功了一系列半导体激光二 极管阵列，如中科院半导体研究所研制的泵浦固体激光器用“高功率激光二极管 列阵”，连续线阵输出功率达1 5 w ，室温连续工作寿命大于5 0 0 0 小时；准连续二 维叠层阵列输出功率达1 2 0 0 w ，3 0 0 w 和6 0 0 w 川。 对于大功率激光器阵列参数的测量，的目前国内一些研究机构和生产单位一 般采用光功率计、驱动电流源、光谱分析仪等设备组合而成一个激光器测试仪器， 它不仅体积大、投资多，费工费时，不能连续测量、自动化程度低叫。而且因为 由于半导体激光器阵列发光区域很宽、发散角较大，一般的光功率计和光谱分析 仪的接收i = 1 有限，无法对其进行精确测量。国外嘲有美国的n e w p o r t 公司嘲、 k e i t h l e y 公司f z ji l x l i g h t w a v e 公司州以及加拿大的t e l o p s 公司”1 都有l d 参数测 试系统，但价格昂贵，对大功率激光器阵列参数测试支持也有限。因此迫切需要一 种可自动测量、使用方便快捷、显示直观、功能较齐全的智能测试系统。大功率 激光器阵列参数测试系统就是在这种市场背景下进行研制和开发的，它可应用于 研究开发、原型制造、批量生产和质量控制的各个阶段。 第1 贞 山东大学硕士学位论文 1 2 课题主要研究内容 本课题是有中科院半导体所国家光电器件研究中心( 海特光电有限责任公司) 立项，自行研制和开发的大功率半导体激光器参数智能测试系统。 根据对项目研究开发任务的理解，把该项目分为控制采集硬件电路部分、软 件部分、光学探测部分和激光器驱动电源部分、温度控制部分。其研究的主要内 容包括： 1 、半导体激光器的工作原理 2 、半导体激光器参数测试的理论方法； 3 、半导体激光器电源的工作原理与实现； 4 、高精度温度控制系统的原理与实现 5 、探测器的工作原理、选型及信号处理电路的设计； 6 、智能测试仪器控制软件的设计与实现； 第2 页 质结g a a s 半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述 同质结构激光器经历5 年的徘徊，1 9 6 7 年，用液相外延的方法制成单异质结激光 器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1 9 7 0 年，美国的贝尔实验室制成 了双异质结半导体激光器，实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸多突出 优点，得到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广，是目前任何其他激光 器所无法比拟的。 半导体激光器对国防科技、军事装备、光通信和国民经济起着非常重要的作 用。到目前为止，光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场。1 9 9 9 年，通讯 用半导体激光器占了总半导体激光器市场的6 8 7 。出于光纤传输损耗及色散系 数在1 3 u r n 和1 5 5 u m 最低，因此处于此波长的i n g a a s p i n p 半导体激光器得到广 泛研究。为了提高激光器光束质量、性能及寿命，开发了多种结构激光器，典型 的有：脊波导激光器、掩埋新月形激光器、隐埋条形异质结( b h ) 激光器、双沟 道限制隐埋异质结( d c p b h ) 激光器等。该类激光器的输出功率在几m w 2 0 m w 左右，阈值电流几m a 十几m a 。其工作寿命可达数十万小时。 第3 贝 山东大学硕士学位论文 为适应高速光纤通讯、波分复用系统对单模激光器需求，开发出了动态单模 。 激光器。主要包括分布反馈( d f b ) 激光器、分布布拉格( d b r ) 激光器等。分 布反馈激光器就是在激光器光波导区内引入一个光栅，利用光栅只对某一特定波 长作择优反馈，实现对某一特定激射波长的选择。分布布拉格反射激光器是在激 光器增益区外引入光栅，选模原理类似d f b 激光器。该类激光器调制带宽很大， 几个g h z 数量级或者更大。 利用半导体材料内产生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导 体器件。主要包括i i i - - v 、n 一和一族半导体激光器。按激发方式分为激 发、电子束激发和p n 结注入电流激发三种类型。前两种类型的器件难于实用化。 后一种器件也称注入型半导体激光器或激光二极管，由于有体积小，效率高，可 直接调制等特点，应用面广，包括光通信、光信息处理等重要领域。 2 2 高功率半导体激光器阵列 激光二极管阵列是指在单芯片上有多个条状激光器，见图2 1 。典型的例子是 s p e c t r ad i o d el a b o r a t o r y 研制的2 0 个条状增益波导s q w - s c h 激光二极管 阵列。激光二极管阵列由2 0 个5 u r n 宽的条状激光二极管组成，两相邻条状激光 二极管的中心间距为1 0 u r n ，在连续运行方式中的总输出功率为1 w ，输出面积 是2 0 0 u m x1 0 u r n ，光束发散角是4 俨1 0 9 根据不同成分，输出波长7 9 0 - 8 3 5 n m 之间变化。 c 汨r c r 图2 1 多条状激光器几何结构 线性阵列组 线性阵列组是指有1 0 个或2 0 个条状阵列串联在基体上，形成阵列组结构。由于 第4 页 山东大学硕士学位论文 际的加工工艺条件，阵列组的长度都限制在1 c m 以内。图2 2 2 示出了l e m 长 单个线性激光二极管阵列组，它由2 0 个条状激光二极管阵列构成，每个阵列又 1 0 个条状激光二极管构成，阵列中心的间距为5 0 0 u r n 。这一阵列组产生1 0 w 功 的连续输出。激光二极管阵列的j 日j 距取决于热限制因素。 图2 - 2 连续j ：作的单块1 c m 阵列组 在图2 2 中，激光二极管阵列的长度是阵列组的2 0 。 用半导体激光器泵浦脉冲钕激光器，要求泵浦脉冲长度为几百微秒，我们把 长脉冲( ”1 u s ) 运转称为准连续运转。制约半导体激光器输出功率的因素是p n 结 的温度和与之有关的热扩散条件，如热无法扩散，则出口面的局部温度就可能升 高到熔点。激光二极管的平均温度由耗散的平均功率控制，但是，激光二极管p n 结 的瞬时温度会超过平均温度，特别是在脉冲运转时，由于脉冲阵列的平均耗散量 远低于连续阵列组，所以激光二极管的总长可增大到1 0 0 。表2 - l 列出了准连续 激光二极管阵列组的电流状态。 e l e c t r i c a lc f & i c n c y p o w o l l i n e w i d l h 1 i f c r i m e t h e r m a lr e f i a a n c e 两维阵列 w 仕m n r n f f w h m ) s h o t s o c , q , y c m z 4 5 _ o 6 l o o 轧5 1 o 3 表2 1 当前最先进的准连续列阵组的性能 第5 贝 山东大学硕士学位论文 阵列组的概念可以延伸为一维阵列组形成的两维阵列。从高度集中的热源散 去多余的热，是两维阵列设计的一个关键问题。脉冲阵列的占空比，即平均输出 功率，完全取决于设计结构产生的热。从两维阵列的组装与冷却中产生三个概念， 即“支架和堆”、微通道或背平面冷却的阵列、“凹槽中的阵列组”。图2 3 中示出了阵列中热控制的三种方法。 1 4 , a b 嘲 盯界舷曼 11 飞缓绥黝钐绉彩黝、 图2 - 3 多阵列组的冷却方法 在微通道冷却方法中( 见图2 - 3 ( a ) ) ，每个阵列组都有以硅腐蚀技术制成的 内部液体热交换器将每个阵列组致冷器组建堆起来，就建立起两维阵列。阵列 组之间的导热硅橡胶垫圈密封了冷却通道。与( a ) 不同的是，在另外两种方法中， 多个阵列组是被安装在一个液冷结构上进行集体冷却的。( b ) 示出了最普通的两维 结构，它采用的是对每个阵列组的背平面进行冷却。 为了建立起两维阵列，用焊接的机械方式将多个阵列组堆在一起。每个阵列 第6 页 山东大学硕士学位论文 组都有接线板，且都安装在传热板上，并将整个组件焊到普通的液冷散热器上。 可以用分层液流或高速液流( 接触冷却) 为普通散热器散热。在( c ) 所示的第三种 方法中，每个阵列组都安装在传热且绝缘的材料( b e o ) 上，该材料有与阵列组尺寸 相匹配的槽。使槽的侧壁金属化，阵列组之间就能够相互导电。 图2 4 激光二极管阵列组的封装结构 图2 - 4 示出了激光二极管阵列的不同封装结构。在激光棒泵浦中，见图2 - 4 ( a ) ，所用 两维阵列的典型发射面积为l c m x o 3 c m 或l c m x 0 5 c m 。在激光板的泵浦中，需 要有如图2 - 4 ( b ) 所示的l c m x 3 c m 的大面积泵浦源。当占空比为6 时，这种泵浦源 可输8 0 0 w c m 2 的峰值功率。为了增加激光二极管阵列输出光束的亮度，可将 微透镜阵列光学器件与激光泵浦源组合在一起，如图2 - 4 - ( e ) 所示。图2 - 4 ( d ) 示出了 输出功率为2 0 w 且与4 0 0 u m 光纤耦合的单个连续阵列组封装结构。该结构可以使 泵浦源与激光器分丌，这一点在某些应用中是非常有价值的。 大功率激光二极管列阵的发展水平及产品情况 大功率激光二极管列阵技术含量高，投入大，迄今为止，国际上只有少数发 达国家具备研制与生产此类器件的能力，美国在研究、产业化、应用等方面仍处 于领先水平。随着军用和民用的拓展，大功率激光二极管列阵的发展与前几年有 较大的提高。 大功率激光二极管列阵的发展始终是围绕应用而进行的。现在，应用的广度 和深度都比以前有很大的提高，对器件的要求越来越高，总的来说有以下几个特 点： 第7 贝 山东大学硕士学位论文 1 、亮度、高可靠性、长寿命、低价格。1 9 9 5 年，连续2 0 w 器件商品化，1 9 9 6 年，连续4 j d w 器件商品化，现在4 0 w b a r 较为普遍，出现了6 0 w b a r 的产品。准 连续器件1 2 0 w b a r 形成产品，叠层器件一般是2 5 k w c m 2 ，出现1 0 k 1 c m 2 的研 究水平；器件寿命一般5 0 0 0 小时，也有3 万小时的产品；不同于通讯类器件，此 类器件的市场容量不是很大，而且主要是军用，所以价格又降，但幅度不会太大； 2 、波长多样性。现在是7 8 0 8 2 0 r i m 为主，其次是9 1 0 - - 9 6 0 r i m ，还有一些7 8 0 n m 以下和l u m 以上的器件，不过9 1 0 - 9 6 0 n m 列阵器件发展势头很好，能否超过 7 8 0 8 2 0 r t m 成为d p l 的主要泵浦源，取决于y b ：y a g 泵普及数的提高； 3 、封装的多样性。此类器件的封装没有国际标准，封装形式多种多样，基本 形式有单b a r 、平面叠层、环形叠层等； 4 、器件的模块化。出现了泵浦腔模块，研制者将晶体与泵浦源集成在一起， 使用者根据需要添加少许外围远期间，就能实现d p l ，这样有利于提高系统的性 能，降低成本和大面积推广另外，带快轴准直透镜和光纤输出器件也较为普遍。 2 3 半导体激光器基本工作原理和性能 半导体激光器是基于受激光发射的器件。要使半导体激光器得到相干的受激 光输出，必须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件粒子数反转条件是 必要条件，它意味着处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数。达到这一条件， 有源工作物质就具有增益。阈值条件是充分条件，它要求粒子数必须反转到一定 程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损 耗，此后增益介质就具有净增益。 由于半导体激光器有着许多不同于其他激光器的特点和用途，因而有比其他 激光器更多的性能参数在诸多参数中，激光器的制造商与用户有不同的考核参 数侧重点；不同用户对激光器的要求也有差别。可以粗略地将半导体激光器的有 关特性和参数分为以下几类： ( 1 ) 电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压、背光电流( 即位于激光器 芯片后端的光探测器的光电流，用以监测激光器前端与光纤耦合效率的变化) 、串 联电阻： ( 2 ) 空间光学参数：近场、远场光强分布、发散角、像散； 第8 页 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 光谱特性：线宽、中心波长、边模抑制比； ( 4 ) 光学参数：输出光功率、消光比； ( 5 ) 动态特性：噪声、调制间畸形、上升和下降时间。 但通常人们最关心的是它的电学参数和光学参数从考核器件的寿命的角度讲也主 要从这两个方面考虑。 半导体激光器的闺值特性 阈值是所有半导体激光器的属性。它标志着激光器的增益与损耗( 包括内部 损耗和输出损耗) 的平衡点，即阈值以后激光器彳开始出现净增益。由于半导体 激光器是直接注入电流的电子一光子转换器件，因此其阈值常用电流密度或电流来 表示。前者常用于不同结构性能的比较。后者是一个直接可测量的参数。 半导体激光器的效率 半导体激光器是一种高效率的电子光子转换器件。有多种定义来描述在半导 体激光器中这种电能转变光能的效率。在此介绍几种半导体激光器常用的效率。 功率效率是表征加于激光器上的电能( 或电功率) 转换为输出的激光能量( 或 光功率) 的效率。其定义为： 打：堂堂矍堑垄塾堕堂堕奎： 生 ：生 1 激光器所消耗的电功率，矿+ j 2 尘墨+ j ：r _ 式中，匕为激光器所发射的光功率；i 为工作电流；v 为激光器的正向压降； ，为串联电阻( 包括半导体材料的体电阻和电极接触电阻等) 。 外微分量子效率定义为输出光子随注入电子数增加的比率，考虑到 厅y = & = p 圪，则有： d p = 学* 等南* 鲁击 基于在激光器阈值以上的p - i 曲线几乎是直线：同时在厶对应的输出功率矗 很小，可忽略不计；也不去涉及光子数与电子数，而用一些可测量( 激光器输出 功率和注入电流) 来表示斜率效率( 仉= 等) 栌南 在实际测量中，仉由下式得出： 只一只 玑2 了= 第9 贞 山东大学硕士学位论文 式中，只和只分别为阈值以上额定光功率的1 0 和9 0 ；，和，：分别对应于 丑和只的电流。为避免热沉的影响，上述测量应在低占空比的脉冲电流下进行。 外微分量子效率用百分比表示，而斜率效率用w a 或m w m a 表示。 半导体激光器的空间模式 可以将半导体激光器的模式分为空间模和纵模( 轴模) 。前者描述围绕输出光 束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强( 或光功率) 的分布，也 称远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率( 或 波长) 分量上的分布。二者都可能是单模或者出现多个模式( 多模) 。边发射半导 体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向( 称横向) 和 平行于结平面方向( 称侧向) 有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异 质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导， 因此半导体激光器的空间模式又有横模与测模之分。图2 5 表示这两种空间模式。 图2 - 5 半导体激光器的横模与测模 半导体激光器的线宽 表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度通常是用它的光谱线宽来定量表示 的，定义为光谱曲线半峰值处的全宽( f w h m ) 。半导体激光器在阙值以下的谱宽 达6 0 r i m 左右，而阈值以上的谱宽压窄至2 3 n m 或更小，因而在半导体激光器出 现的初期，光谱宽度曾用来作为测定半导体激光器阈值的一种手段。因为在域值 以上的激光束的谱宽很窄，故常称为线宽。由于高速光纤通信要求半导体激光器 在动态单纵模工作，因而用一3d b 谱宽远远不能满足要求，而需用- - 2 0 d b 的线 宽来衡量其在高速下抗光纤色散影响的能力。 半导体激光器的动态特性 半导体激光器有别于其他激光器的最重要特点之一在于它有被交变信号直接 山东大学硕士学位论文 半导体激光器能完成2 0 g b s 信号的直接调制。在调制过程中要求半导体激光器不 产生调制畸形，即对数字信息不产生大的误码，而对图像信息不造成所不允许的 失真；不因直接调制使光谱线宽明显加宽；不产生自脉冲和其他一些因调制而出 现有害效应。 半导体激光器的热特性 尽管半导体激光器是高效率的电子一光子转换器件，但由于不可避免地存在 各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达 到2 0 3 0 ，这意味着相当部分注入的电功率将转化热量，引起激光器温升。 温度的升高使激光器的阈值电流增加、发射波长红移、造成模式的不稳定、增加 内部缺陷、严重地影响器件的寿命，给应用带束很大困难。如不将其产生的热量 移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。例如，波长7 8 0 n m ，输出功率 3 r o w 的g a a l a s 激光器，波长随温度增加的红移量为o 2 6 n m c ；阈值电流依上升 o 3 m a c 。试验表明，温度每增加2 5 ，其器件寿命减少一半，即使工作电流在 数十毫安的半导体激光器，它却承受1 0 0 a c m 2 左右的电流密度和相当大的热耗散 功率密度。因此如何提高半导体的功率效率和减少热耗散功率，始终为半导体激 光器的制造商所刻意追求的目标。用户也必须正确使用半导体激光器，使其在允 许的工作温度下使用，否则，将使寿命缩短，甚至损毁。 2 4 半导体激光器特征参数的测试方法 2 4 1 光电特性测量 ( 1 ) l d 的正向电压一正向电流特性曲线 目的是测量l d 在不同电流下的正向电压，并给出电压一电流特性曲线。测试 原理如图2 - 6 所示。 其中，d ：被测半导体激光器；a t c ：自动温度控制装置；g ：直流电流源； p ：光功率计。 测试方法是给被测l d 增加直流偏置电流，并记录l d 两端电压与对应的正向 电流值，在笛卡尔坐标上绘出电压正向电流曲线。 第1 l 贞 山东大学硕士学位论文 g 图2 - - 6l d 正向电压一电流特性测试原理 ( 2 ) 微分电阻凡 测试方法是在规定范围内，给被测器件施加直流偏置电流，同时监视其两端 之间电压，在笛卡尔坐标上做电流电压曲线。在电流电压曲线的线性范围内找出 两个邻近的电流工作点 、尼，及对应的电压点n 、耽，微分电阻可由下式计算： r d = v i 式中：v = v 2 v l ；z m = 1 2 1 1 测量时所取的两点电流值应尽量靠近，使，值尽可能小 ( 3 ) l d 输出光功率一正向电流特性 目的是测量l d 在不同电流下的辐射光功率，并给出光功率正向电流特性曲 线。测试原理如图2 - 7 所示 其中，d ：被测半导体激光器；a t c ：自动温度控制装置；g ：直流电流源； p ：光功率计 g 图2 - 7l d 输出光功率正向电流特性测试原 测试方法是给被测器件增加直流偏置电流，并记录l d 的辐射功率与对应正 向电流值，在笛卡尔坐标上给出光功率正向电流曲线 第1 2 贞 ( 5 ) 功率效军 测试方法是根据测试光功率正向电流曲线和电压一电流特性曲线得到额定输 出光功率、工作电流和工作电压。可用下式求出功率效率： 功率效率= 额定输出光功率工作电流x 工作电压 ( 6 ) 斜率效率 测试方法是给被测l d 施加直流偏置电流，使相应的辐射光功率符合规定值 p 。，并读取该点所对应的 值。改变正向电流2 值，读取相应的p 2 1 i 。计算公式 是： 斜率效率= p ai = ( p 2 - p i ) ( 1 2 一i i ) ； 其中p i 和p 2 分别是为阂值以上额定光功率的1 0 和9 0 ：i j 和1 2 分别对应于 p l 和p 2 的电流。 2 4 2 光谱特性测量 目的是测量l d 在额定输出光功率下的光谱特性，激光二极管组件峰值波长 x 。，光谱宽度九测试原理如图2 - 9 所示 其中，g ：直流电流源；a t c ：自动温度控制装置；d ：被测半导体激光器； 山东大学硕士学位论文 m ：单色仪。 c 图2 - 9 光谱特性测试原理图 测试方法是给被测器件施加直流偏置电流，使输出光功率为额定值，单色仪 在所需的波长范围内扫描，光电探测器上得到一个最大光功率，其对应的波长为 峰值波长xp ，单色仪在xp 两边适当的波长范围内进行扫描，描绘光谱曲线测 量出最大辐射强度一半所对应的光谱全宽，这宽度即为辐射光谱宽度九。 2 4 3 远场特性测量 激光器发散角的测量方法有很多种。通常使用扫描法i n j 3 1 ：给被测器件施加 直流偏置电流，使输出光功率为额定值， 一个与扫描角度有关的光强度分布曲线， 探测器在一定角度范围内扫描，便得到 将d 改变9 0 度便得到水平垂直方向的 光强分布曲线，该图也叫远场图案把平行和垂直的光束角定义光输出功率时半 极值强度上的全角，分别用符号e 。和e 表示，二者一般不相等。 图2 _ 1 0 远场测试原理 第1 4 页 ( 2 ) 热阻测量原理 热阻测量方法有很多种m 、。，包括阂值方法、翻转光电曲线法和正向电压法， 使用较多的是正向电压法“”1 。下面我们给出一种所谓“波长红移法”：即根据温 度变化引起波长的变化量来确定温升，通过实验得知它们近似为线性关系，即 如一五。= 七( 瓦一五) ( 2 一1 ) 或 五= k a t ( 2 2 ) k 是比例系数，同类激光器不变，单位是n m k 可以通过试验得到约0 2 7 - 0 3 给激光器加驱动电流i o p 丌始可认为激光器温度t 。，对应的波长为x ，通电等待一 段时间( 2 0 秒以上，最好是6 0 秒) 将达到热平衡，再测量激光器的输出波长 ： ( 对应温度为t z ) ，根据热阻定义，有 r m = a t 峨 ( 2 - 3 ) 其中匕是两个驱动电流下的热耗散之差，有 蛾= ( ul p ) ( 2 - 4 ) 其中u 是对应驱动电流下的结压，p 是对应的输出光功率。 由( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 得 r , h = a a k 蛾 ( 2 - 5 ) 对温度的测量转化为对波长的测量。这争所指的波长都是峰值波长。 第1 5 贝 山东大学硕士学位论文 第三章测试系统的总体设计 3 1 系统功能要求 本测试系统，通过给受试半导体激光器列阵供不同的工作电流，采集工作条 件下受试激光器列阵的各种参数信号，进行处理并计算得出l d 的光电特性( p i ) 、 伏安特性( v i ) 、光谱特性( s p ) 、远场特性( f f ) 和热特性( ) 等，具体如下： ( 1 ) p i v 曲线图，并得到工作电流i 。、输出光功率p o 阂值电流i n 、斜率效率e s ， 功率效率、微分电阻r d 等。 ( 2 ) 光谱测试曲线图，并得到中心波长 。、峰值波长 ，、波长宽度6 等。 ( 3 ) 远场测试曲线图，并得到垂直方向o 和水平方向发散角o 一。 ( 4 ) 热特性测试，并得到热阻。 3 2 系统技术指标 1 、功率测量范围与精度：o 1 0 0 0 w 。软件分档：o - 5 0 w ，o 1 0 0 w ，o - 5 0 0 w ，o - 1 0 0 0 w 。 测试精度：量程的5 。 2 、驱动电源控制范围与精度： 电压范围：根据需要，误差：0 2 v ； 电流范围：0 1 5 0 a ，可测量连续和脉冲( 脉冲参数：占空比t ：5 0 “2 0 0 ( u s ) f ：5 0 2 0 0 ( h z ) ，t 、f 可任意匹配，上升沿宽度：小于2 0 u s ) ； 分档：0 2 0 a ；o - 5 0 a ；o - i o o a 。0 - 1 5 0 a 误差：量程的1 3 、波长测量范围与精度： 6 0 0 1 6 5 0 n m ，精度：0 2 r i m 4 、发敖角测量范围与精度： 01 ；一6 0 + 6 0 。， o ：一3 0 + 3 0 0 分辩率：0 2 0 第1 6 贞 山东大学硕士学位论文 5 、温度控制范围与精度 t e c 控制：o - 9 0 ； 精度：0 1 6 、熟阻测试精度 0 5 k w 3 3 总体设计方案 电子技术、计算机技术与测试技术相结合，测试仪器进入迅速发展的智能化 时代，软件技术参与各种补偿、误差修正和校准，高精度测量，实时测量和自动 测量成为现实。计算机技术和测试技术相结合的智能化测试系统目前形成两种发 展趋势，一是以测试技术为核心，采用一个或几个cpu 来完成仪器的控制、数 据采集、数据处理和显示等功能的智能化仪表，二是以通用pc 机为基础，通过 各种不同的接口总线、数字接口和控制接口实现测试功能，充分利用pc 机的图 形显示、数据处理、外设接口和软件功能，从而构成虚拟仪器。 目前，插卡式虚拟仪器是比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于p c i 总 线的虚拟仪器在插入数据采集卡( d a q ) 时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且， 主机上的p c i 插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号 对计算机的安全造成很大的威胁，同时。计算机内部的强电磁干扰对被测信号也 会造成很大的影响，故我们确定将“高功率半导体激光列阵参数测试仪”设计成 u s b 接口方式的外挂式虚拟仪器系统。 上位机以w i n d o w s 9 8 、2 0 0 0 、x p 操作系统为平台，采用c + + 作为软件歼发语 言，完成数据信号的分析处理。下位机采用高速c 5 1 单片机构成应用系统，编程 语言采用k e i lc 7 0 。 根据项目功能和技术要求，可将项目分解为：驱动电源部分、温度控制部分、 光路测试部分、数据采集和控制部分，机械结构部分、数据分析和处理部分。 驱动电源，给受测l d 阵歹提供精确的驱动电流：温度控制部分给受测l d 提 供一个一致的测试环境；光路测试部分，对激光器的光学参量进行预处理，将激 光器的光信号转换成微处理器可处理的电信号；数据采集和控制部分，完成数据采 集以及控制整个硬件路协调工作，并将采集到的数据传送到上位机进行处理。整 第1 7 贞 图2 7 测试仪总体框图 光谱的测量，选用北京光学仪器厂生产的e ) g i o 型光栅单色仪，利用光栅衍 射原理，由控制板控制单色仪步进电机带动光栅转动，从而改变扫描波长，得到 l d 光谱曲线。远场测试采用探测器在水平和垂直两个方向机械扫描的方式 该系统关键技术主要有以下部分 ( 1 ) 采集控制部分的设计该部分是测试仪器的控制协调指挥中心，需要可 靠准确工作； ( 2 ) 驱动电源的设计开发l d 对电源要求很高，需要稳定可靠的高精度恒 流源： ( 3 ) 高精度温度控制系统。 ( 4 ) 计算控制软件设计开发。软件处理主要采用滤波、曲线拟合等技术手段， 对曲线进行平滑处理，以便提高测试重复性精度 激光二极管的非线性特性，在工作点附近电压有一个非常小的变化量将引起电流 剧变，所以要求驱动源精度高、性能稳定、恒流特性好，并具有防过冲、反冲、 和浪涌的保护电路【1 7 。3 1 。半导体激光器驱动电源一般为压控电流源( v c c s ) ，基 本原理如图所示： 图4 1 恒流源原理图 首先由基准电压源产生一个基准电压，然后由电位器对基准电压进行取 样，并将取样值送入电压一电流转换器，产生受取样电压控制的稳定电流。 当电源电压变化v 。时，由于电流放大器有较大的动态电阻，因而回路中的 电流变化比放大器短路时要小得多。假定v 。在放大器上的变换电流为i l ，当 i 作用到取样电阻k 上时，反馈网络在反馈终端将产生一个抵消电压，该抵消电 压经放大器转换为抵消电流1 2 ，减少了输出电流的变化。在系统达到稳念时，回 路中仅有一个极小的电流静电差i o ，环路的增益越大，电流的静电差越小。同样， 当负载变化对，为了保持电流恒定，输出电压必须发生相应的变化，这个变化由 反馈回路的终端提供。为此，反馈回路的始端必须存在一个较小的电流信号来维 持终端电压输出。因此，一个性能良好的恒流电源实际上是一个具有自动调节功 能的闭环系统。 菇1 9 贞 b 瞽 算 譬 山东大学硕士学位论文 4 2 大功率半导体激光器阵列驱动电流源的实现 由于是对大功率激光二极管阵列进行测试，我们设计了一种以v i c o r 电源 为功率模块，以绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为大功率变换器件的大功率二极管阵 列驱动源。电源技术指标为： 输出电流：0 1 5 0 a 连续可调，电流精度0 5 输出电压：1 5 5 0 伏连续可调，峰峰值v p - p 1 ； 触发脉冲频率：1 - 1 0 0 0 h z 连续可调，误差小于2 ； 触发脉冲宽度：5 0 - 1 0 0 0 u s 连续可调，误差小于l u s ； 电流脉冲占空比：5 - 5 0 ，电流脉冲上升沿和下降沿时间 2 0 u s 。 控制输入为电压控制输入，0 - 5 v 对应0 1 5 0 a 。 该驱动源由a c d c 转换模块、功率变换模块、低压电源、保护电路、功率输 出电路和外控信号处理等单元电路组成如图4 2 。 器列阵驱动电源组成框图 4 2 1 a c d c 转换模块 阜2 半 导 体 激 光 a c d c 转换模块输入为交流电压、输出为直流电压。我们选用v i c o r 公司 a c - d c 转换器v i h a m 模块刚，图4 3 为v i h a m 模块输入电压与输出电压的关 系。从图中可以看出，v i h a m 模块有较大的电压输入范围。 图 山东大学硕士学位论文 4 0 0 v d c 3 3 0 0 v o e 2 w c 2 柏v d c 1 0 0 v d c 鼬v 出 5 01 0 01 5 0 2 2 3 0 0 v 把 2 9 6 图4 - 3v i h a m 模块输入电乐与输出电压的关系 为了满足传导e m i r e i 辐射的国际标准，v i h a m 模块f i i 端外接e m i 滤波器， e m i 滤波器中的稳压管、电感和电容可以抑制输入瞬变电压。v i h a m 模块具有 短路关断功能，当发生短路保护时，不是将短路保险丝熔断，在断路故障消除后， 模块还能恢复正常工作。v i h a m 模块还具有输出过压保护功能，当输出电压超 过4 1 5 v d c ，内部升压变换器的升压值将降低，从而使输出电压保护在4 1 5 v d c ， 当输入交流电压有效值接近2 9 3 v 时，v i - h a m 输出电压降为零。此外，v i h a m 模块中还装有正温度系数热敏电阻( p 1 ) 和分流元件，可以限制输入浪涌电流。 4 2 2 功率变换模块 功率变换模块将电源的能量通过高频开关变换为能满足功率输出电路所需的 稳定直流电压。功率变换模块所提供的电压必须连续可调，我们选用v i 2 6 2 c u 和v i - b 6 2 c u 直流变换器。由于v i 2 6 2 c u 只能提供1 5 v 输出，因此采用串联的 方法使其与v i b 6 2 c u 倍增器连接。每个串联模块将在相同的工作频率下驱动， 备模块的负载电流基本等。需要注意的，由于驱动器具有内部电压反馈回路，而 倍增器没有，所以驱动器及倍增器必须是相同的功率系列。把v i 2 6 2 - c u 和三块 v i b 6 2 c u 串联，输出电压在1 2 5 v 到4 8 v 之间连续可调，并能在此范围内提供 最大1 5 0 a 电流。 4 2 3 功率输出模块 从本质上讲，二极管驱动电源的功率输出电路是一种高稳定、高可靠、高输 山东大学硕士学位论文 出质量的脉冲型稳流电路，其稳流电路要解决的关键问题是：选择一个快速响应 的高稳定脉冲电流开关、一个性能良好的驱动电路和一个有效的功能齐全的控制 电路。为此针对激光二极管的工作要求，输出功率模块采用以下措施：首先在采 用大功率i g b t 模块作为电流开关时，还需要高速、高稳定的运算放大器作深度 反馈控制，- 保证电流开关在很短的时间内完成大电流的转换。其次，为保证激光 二极管在大电流下可靠的工作，对功率输出采用比例缓冲驱动，控制电流在快速 上升或下降的转折点不至于出现尖峰电流。最后，应严格保证控制电路到驱动电 路上脉冲波形不受任何干扰。 绝缘栅双极晶体管i g b t 具有m o s f e t 和g t r 两者的优点，既有输入阻抗 高，速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，其通态电压低、耐压高、能承 受较大电流。所以我们选择i g b t 作为输出器件。图禾4 为i n t e r s i l 公司h u f 7 5 3 3 7 g 3 电压电流关系曲线嗍。 l 。肇 落豪 l t ， v g s = w 氇0 厂 影 v g s 5 v y p u l s ed u r a t i o n = 8 0 u t d c u t ，y 2 卿c y c l e - 0 5 眦 01 j3 o4 56 07 5 v d s , d r a i n t o s o u r c e v o l t a g e 、，) 图4 - - 4h u f 7 5 3 3 7 g 3 电压电流关系曲线 h u f 7 5 3 3 7 g 3 最大工作电流7 5 a ，承受电压5 5 v ，导通电阻0 0 1 4 欧。i g b t 是一个零 电压开关器件，他的开通与关断是由栅极电压来控制的，当栅极电压v g s 施以正 电压时，i g b t 导通，其导通电流大小取决于v g s 值，因此，通过调节v g s 就能调 节输出电流，从而达到稳流的目的。 4 2 4 外控信号处理电路 可设置电源的输出电流、输出电压、触发脉冲频率