新方法改進(jìn)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和誤差。處理好這些問(wèn)題，就可以縮短測試時(shí)間、提高測試的準確性，降低不合格率。

　　LIV曲線(xiàn)

　　激光二極管的基本檢測是光-電流-電壓（LIV）曲線(xiàn)，即同時(shí)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(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。

　　對被測器件進(jìn)行電流掃描，記錄每一步掃描的電壓，同時(shí)，使用儀表監測光輸出功率。這個(gè)測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)，脈沖檢測是必要的，因為此時(shí)組件沒(méi)有溫度控制電路。如果用直流電測試，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)行測試，結果可與脈沖測試對比。另外，一些二極管能通過(guò)直流測試但不能通過(guò)脈沖測試。

　　分析LIV測試數據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）。

　　檢測激光二極管需要一個(gè)恰當形式的電流脈沖。它應盡快地達到滿(mǎn)電流狀態(tài)，并保持足夠長(cháng)時(shí)間的平穩，以確保結果的準確。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。

　　　　　　　　　　　　　　?

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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的系統通過(guò)5A電流將需要250V的電壓，這對于人和設備都是十分危險的。此外，由于激光器的動(dòng)態(tài)電阻隨電流增大而減少，所以測試條件隨測試進(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，對二極管施加小于10V的電壓就可產(chǎn)生5A電流。因為系統有電流源，避免了二極管動(dòng)態(tài)電阻改變帶來(lái)的問(wèn)題。

　　即使最仔細地對阻抗進(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。

　　　　　　　　　　　　　　　?

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖二

　　電測量

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

　　電流測量就簡(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)行測量，但要求電阻器的電容和電感系數很低。繞線(xiàn)電阻器有電感損耗，所以不適于高頻測試。

　　選擇光探測器

　　現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(diǎn)和缺點(diǎn)。如圖3所示，探測器的選擇很大程度上取決于它所適應的波長(cháng)。當波長(cháng)小于800nm時(shí)，硅是唯一的選擇。但電信領(lǐng)域中常用的波長(cháng)在1300nm到1700nm之間，這時(shí)銦鎵砷是最好的，因為它的響應特性在此區間非常平穩。然而，銦鎵砷對脈沖的響應存在問(wèn)題。為避免激光二極管過(guò)熱，最好用足夠短的脈沖來(lái)測試，但銦鎵砷探測器卻需要足夠長(cháng)的時(shí)間來(lái)達到某種穩定狀態(tài)。

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

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖三

　　　　　　　　　　?
　　　　　　　　　　　　　　　　　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(gè)缺點(diǎn)。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域，再或者發(fā)射光束沒(méi)有對準探測器，這些都會(huì )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(huì )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(gè)中空的球體，內表面涂有高反射材料，有兩個(gè)端口，一端固定在探測器上，另一端用來(lái)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表面上，安裝在積分球側面的探測器能“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(shí)間，光纖通信設備的需求超過(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(shí)間過(guò)長(cháng)。

　　為避免這個(gè)問(wèn)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換器和一個(gè)高速多信道數字取樣示波器（DSO）。脈沖源產(chǎn)生脈沖，其它儀器測量電學(xué)和光學(xué)響應。

　　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(cháng)的過(guò)程，每個(gè)被測設備要花費幾十秒到幾分鐘的時(shí)間。這套系統每天大約能測2500個(gè)零件，每套檢測設備大約花費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。系統的測量部分將多通道數據采集、專(zhuān)門(mén)的定時(shí)電路、高速電流電壓轉換器和數字信號處理器（DSP）整合為一體，數字信號處理器仿效DSO的功能并控制測量程序。

　　這種儀器按照GPIB總線(xiàn)給定的檢測順序，由內部的DSP進(jìn)行編程，決定LIV掃描的先後順序。一旦完成編程，就不需要其它設備的指令或計算機控制，數字信號處理器將獨自執行脈衝的LIV掃描。實(shí)際上，儀器通過(guò)數字I/O端口直接給各部件提供控制信號。

　　通過(guò)DSP實(shí)現了對脈衝測量結果的快速分析，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。

　　因單臺檢測只需幾秒鐘，即使在系統利用率只有85%的情況下，每天仍可對15000個(gè)二極管進(jìn)行檢測。購買(mǎi)這樣的系統只需花費原來(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)系統可設計成脈衝和非脈衝兩種模式。兩種功能可在同一個(gè)平臺使用，通過(guò)同樣的檢測通道對兩種類(lèi)型的LIV進(jìn)行掃描。比較脈衝式和非脈衝式的檢測結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(gè)儀器中的第3代LIV檢測系統可大大提高檢測能力。