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基于LabVIEW的半导体激光器测试系统*

作者:代华斌,秦占阳,王亚磊 (广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院,广州 510670) 时间:2021-08-04 来源:电子产品世界 收藏
编者按:随着我国半导体激光器制造技术的逐渐成熟,激光器性能批量测试的需求也逐步提上日程。如何将国标半导体激光器测试方法中所涉及的测试内容进行软硬件实现,成为一家激光器制造企业所面临的切实需求。本文基于广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院半导体激光器制造过程中的需求,提出了一整套用于半导体激光器自动测试的系统,并进行了软件及硬件实现。该系统严格参照GB-T 31359—2015半导体激光器测试方法,在完成半导体激光器PIV测试及光谱测试相关性能的同时,整机测试节拍可达30 s/个,实现了半导体激光器测试系统的自动化。

基金项目:广东省科技计划项目(科技创新平台类)高水平创新研究院(2019B090909010)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202108/427371.htm

作者简介:代华斌(1980—),高级工程师,主要工作内容为半导体行业非标设备系统开发。E-mail:daihuabin@xiopmh.com。

随着我国半导体激光器制造技术的逐渐成熟,有关半导体激光器的测试的方法逐步完善,国标GB-31359-2015[1] 的发布,为半导体激光器的测试提供了指导性的原则。本文参照国标GB-31359—2015 所规定的半导体激光器测试规范,提取部分测试参数,表征激光器产品的标准特性。本文将激光器测试项目分为2 类,即激光器的PIV 特性(包括输出光功率、平均功率、、工作电流、工作电压、、斜率效率、光电转换效率)以及光谱特性(包括峰值波长、谱宽度、中心波长),测试系统采用LabVIEW 软件编写,实现了整个系统的自动测试,在测试完成后实现自动测试报表,为批量生产提供依据。

1   PIV特性测试

半导体激光器的PIV 测试是指在激光器加电过程中,对其功率、电流、电压曲线进行实时测试,同时对激光器的一些关键指标进行计算。这些指标包括如下。

1.1 功率测试[2]

功率测试包括输出光功率测试、平均功率测试及测试,其测试装置组成如图1 所示。

image.png

图1 功率测试系统组成

其中,1 为半导体激光器;2 为驱动电源,3 为光束整形器(适用时);4 为衰减器(适用时);5 为光闸(适用时);6 为激光能量计或功率计。

输出光功率为:

image.png

其中,Pop 为输出光功率;τj 为衰减透射比;n 为测试次数;pi 为第i 次记录光功率值。

平均功率为:

image.png

其中,Pavg 为平均功率;n 为测试次数;Popi 为第i 次测得的输出光功率。

为:

image.png

其中,Pp 为峰值功率;τj 为衰减器的透射比, n 为测试次数;Ppi 为第i 次记录的峰值功率读数。本文中功率测量采用积分球测得。

1.2

根据GB/T 31359—2015 中所述,对光功率曲线进行拟合,本文计算方法采用方法三进行计算,如图2 所示。

image.png   image.png  image.png

图2 阈值电流计算的3种方法

阈值电流为:

image.png

阈值电流为image.png的极大值,对应电流即image.png

1.3 斜率效率

斜率效率的计算如图3 所示。

image.png

图3 斜率效率计算

斜率效率为:

image.png

其中,ΔI=I2-I1;ΔP=P2-P1;SE 为斜率效率;I2 为工作电流Iop 的90%;P2 为工作电流I2 下对应的激光功率;

I1 为工作电流Iop 的30%;P1 为工作电流I1 下对应的激光功率。

1.4 光电转换效率

激光器的光电转换效率为:

image.png

其中,ηp 为光电转换效率;IF 为规定的工作电流;PF 为规定工作电流IF 对应的激光功率;VF 为规定电流IF 对应的正向电压。在实际工作过程中,系统的激光器采用步进加电过程,其斜率效率实际为一条随电流增加而不断变化的曲线,在为工作电流加电的过程中,将光电转换效率的最大值作为所测激光器的光电转换效率极值。

2   光谱特性测试

半导体激光器的光谱特性测试是指在恒定工作电流条件下,激光器对其光谱特性指标的测量及计算,这些参数包括如下。

2.1 峰值波长

峰值波长是指施加电流到恒定值时激光器所呈现的波长特性,取光谱强度最大Ih 对应的波长λp 为峰值波长,如图4 所示。

image.png

图4 激光器峰值波长

2.2 谱宽度

谱宽度指将激光器施加电流到恒定值时,根据光谱强度与波长所得到的分布曲线,找到最大光谱强度50%所对应的最大光谱间隔,如图5 所示。

image.png

图5 激光器谱宽度

谱宽度:

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其中,ΔλFWHM 为谱宽度;λ1 为最大光谱强度50% 所对应的最短波长;λ2 最大光谱强度50% 所对应的最长波长。

2.3 中心波长

中心波长指将激光器施加电流到恒定值时,根据光谱强度与波长所得到的分布曲线,找到最大光谱强度50% 所对应的光谱间隔平均值。

image.png

图6 激光器中心波长

中心波长:

image.png

其中,λc 为中心波长;λ1 为最大光谱强度50% 所对应的最短波长;λ2 最大光谱强度50% 所对应的最长波长。

3   测试系统实现

本文采用LabVIEW 编程对测试进行了系统实现,具体包含硬件平台搭建与软件实现两部分。

3.1 硬件平台搭建

本文所述系统采用积分球作为激光功率及光谱信息收集设备,采用光功率探测器PD100 以及光谱分析仪USB2000 分别进行光功率及光谱信号的收集。这样做的好处在于,对于大功率半导体激光器产品而言,积分球可以有效降低探测位置侧的功率,使得探测器所承受的能量值大为降低,同时提高整个系统的测试量程。

由于半导体激光器在工作过程中会产生大量热量,一般采用冷水机设定温度进行产品制冷。[3] 在完成测试后,对残留在产品中的水进行吹气排水处理。为提高测试产品的自动化程度,将系统在功能上分为产品装卸产品位置与测试位置,首先,在产品装卸位置采用气缸对激光器进行自动夹持,开启水路制冷,然后采用高精度丝杠带动产品进入测试位置开始自动测试。测试完成后,系统将自动生成测试报表,并回到初始装卸位置,进行吹气排水处理,待下一个产品的测试。系统硬件原理框图如图7 所示。

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从图中可以看出,安装在积分球上的功率探头及光谱光纤可以对激光器工作的全过程进行检测,数据通过工控机数据采集卡进行采集处理,整个系统结构简单,易实现自动化。

3.2 测试系统软件设计

本文所设计的半导体激光器测试系统软件采用LabVIEW 进行编程,其测试系统主界面如图8 所示。

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图8 测试系统主界面

该系统软件分为PIV 测试及两部分,系统可以对激光器加电过程中的特性进行实时曲线记录,同时给出各测量值的测试结果。在系统测试完成后,系统自动形成报表,如图9 所示。

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图9 激光器测试报表

本系统使用标准光学平台搭建系统,如图10 所示,可以实现不同封装形式的模块化切换,整个系统测试节拍为30 s/ 个。

image.png

图10 半导体激光器测试系统

4   结束语

本文通过对GB-31359—2015 半导体激光器测试方法系统化解读,选择其中部分关键性指标,对半导体激光器的全过程测试进行了系统实现。该系统能够对半导体激光器相关性能进行快速测试并提供数据报表,为企业批量生产提供依据。

参考文献:

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T31359—2015 半导体激光器测试方法[S].http://www.doc88.com/p-1718601765856.html.

[2] 范贤光,孙和义,唐文彦,等.连续半导体激光器LIV特性测试系统设计[J].激光与红外,2007(2):167-169.

[3] 项勤建,刘爽.一种半导体激光器参数测试系统的设计[J].光电器件, 2009(9):374-376.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期)



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