新方法改進了激光二極管的檢測

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

　　LIV曲線

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

　　對被測器件進行電流掃描，記錄每一步掃描的電壓，同時，使用儀表監(jiān)測光輸出功率。這個測試最好以脈沖方式在生產(chǎn)初期，在激光二極管被裝進模塊之前進行。此時，二極管仍處于原始狀態(tài)，脈沖檢測是必要的，因為此時組件沒有溫度控制電路。如果用直流電測試，至少會改變它們的特性，最壞會將它們損壞。在隨后的生產(chǎn)中，當它們被安裝在有溫度控制的模塊中時，可用直流電進行測試，結(jié)果可與脈沖測試對比。另外，一些二極管能通過直流測試但不能通過脈沖測試。

　　分析LIV測試數(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性特性（圖1）。

　　檢測激光二極管需要一個恰當形式的電流脈沖。它應(yīng)盡快地達到滿電流狀態(tài)，并保持足夠長時間的平穩(wěn)，以確保結(jié)果的準確。在最初階段的測試中，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，同時要避免反射問題，一般認為可以選用傳輸線——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48Ω的電阻，但這樣將產(chǎn)生新的問題；50Ω的系統(tǒng)通過5A電流將需要250V的電壓，這對于人和設(shè)備都是十分危險的。此外，由于激光器的動態(tài)電阻隨電流增大而減少，所以測試條件隨測試進程而改變。

　　使用低阻抗同軸電纜可能是一個有效的解決辦法，但這樣做會改變激光二極管的動態(tài)電阻。另外一個辦法是：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，對二極管施加小于10V的電壓就可產(chǎn)生5A電流。因為系統(tǒng)有電流源，避免了二極管動態(tài)電阻改變帶來的問題。

　　即使最仔細地對阻抗進行匹配，也不可能完美，因此使用盡可能短的傳輸線是很實際的方法。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

　　電測量

　　在激光二極管上加上高速脈沖時，測量它的電壓和電流不太容易。用陰極射線管探測器來測量電壓也會引發(fā)問題，其中一個問題是如何接地。探測器的頻率范圍必須達到1GHz。

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

　　選擇光探測器

　　現(xiàn)有三種常用探測器材料：硅、鍺和銦鎵砷（InGaAs），每一種有它自己的優(yōu)點和缺點。如圖3所示，探測器的選擇很大程度上取決于它所適應(yīng)的波長。當波長小于800nm時，硅是唯一的選擇。但電信領(lǐng)域中常用的波長在1300nm到1700nm之間，這時銦鎵砷是最好的，因為它的響應(yīng)特性在此區(qū)間非常平穩(wěn)。然而，銦鎵砷對脈沖的響應(yīng)存在問題。為避免激光二極管過熱，最好用足夠短的脈沖來測試，但銦鎵砷探測器卻需要足夠長的時間來達到某種穩(wěn)定狀態(tài)。

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖三

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　　　　　　　　　　　　　　　　　圖四

　　探測器耦合

　　有幾種方法可以將激光二極管的輸出耦合到探測器。一種方法是將激光直接打到探測器上，但這種方法有幾個缺點。其一，不能保證所有的光都照射到探測器上。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器的有效接收區(qū)域，再或者發(fā)射光束沒有對準探測器，這些都會導致一部分光丟失。其二，一些探測器對偏振敏感，這將引發(fā)更多的錯誤。其三，一些高功率激光二極管的輸出會使許多探測器達到飽和而失效。

　　積分球通常是最佳的解決方案，它是一個中空的球體，內(nèi)表面涂有高反射材料，有兩個端口，一端固定在探測器上，另一端用來輸入被測光（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)面的探測器能“看到”輸入光的一個固定比例（大約1%）。這樣既可以算出全部入射光的功率，還可以測量很高功率的光，而不必擔心探測器被損壞。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖五

　　檢測速度

　　曾經(jīng)有段時間，光纖通信設(shè)備的需求超過供給，生產(chǎn)商的效率成了次要的問題。然而，今天檢測工作也必須像其它事情一樣快速、準確和便宜。這表明光功率計不是好的選擇，這種儀器的檢測時間過長。

　　為避免這個問題，標準的做法是使用一套儀器，包括脈沖源、光測量部件（光敏二極管探測器等）、一對高速電流電壓轉(zhuǎn)換器和一個高速多信道數(shù)字取樣示波器（DSO）。脈沖源產(chǎn)生脈沖，其它儀器測量電學和光學響應(yīng)。

　　這一過程可能需要幾千個脈沖。有時候每一個電平就有幾百個脈沖。這樣看起來是提高了靈敏度、準確度和精確度，但掩蓋了波形扭曲的問題。這也是一個漫長的過程，每個被測設(shè)備要花費幾十秒到幾分鐘的時間。這套系統(tǒng)每天大約能測2500個零件，每套檢測設(shè)備大約花費15萬美元。

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

　　這種儀器按照GPIB總線給定的檢測順序，由內(nèi)部的DSP進行編程，決定LIV掃描的先後順序。一旦完成編程，就不需要其它設(shè)備的指令或計算機控制，數(shù)字信號處理器將獨自執(zhí)行脈衝的LIV掃描。實際上，儀器通過數(shù)字I/O端口直接給各部件提供控制信號。

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

　　因單臺檢測只需幾秒鐘，即使在系統(tǒng)利用率只有85%的情況下，每天仍可對15000個二極管進行檢測。購買這樣的系統(tǒng)只需花費原來價格的一小部分，但帶來了更高的生產(chǎn)能力。

　　這類系統(tǒng)可設(shè)計成脈衝和非脈衝兩種模式。兩種功能可在同一個平臺使用，通過同樣的檢測通道對兩種類型的LIV進行掃描。比較脈衝式和非脈衝式的檢測結(jié)果可為被測器件的性能提供更完全的信息。

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