基于LabVIEW的半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)*

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（科技創(chuàng)新平臺(tái)類）高水平創(chuàng)新研究院（2019B090909010）

作者簡(jiǎn)介：代華斌（1980—），高級(jí)工程師，主要工作內(nèi)容為半導(dǎo)體行業(yè)非標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：daihuabin@xiopmh.com。

隨著我國(guó)半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的逐漸成熟，有關(guān)半導(dǎo)體激光器的測(cè)試的方法逐步完善，國(guó)標(biāo)GB-31359-2015[1] 的發(fā)布，為半導(dǎo)體激光器的測(cè)試提供了指導(dǎo)性的原則。本文參照國(guó)標(biāo)GB-31359—2015 所規(guī)定的半導(dǎo)體激光器測(cè)試規(guī)范，提取部分測(cè)試參數(shù)，表征激光器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)特性。本文將激光器測(cè)試項(xiàng)目分為2 類，即激光器的PIV 特性（包括輸出光功率、平均功率、峰值功率、工作電流、工作電壓、閾值電流、斜率效率、光電轉(zhuǎn)換效率）以及光譜特性（包括峰值波長(zhǎng)、譜寬度、中心波長(zhǎng)），測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW 軟件編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試，在測(cè)試完成后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試報(bào)表，為批量生產(chǎn)提供依據(jù)。

1   PIV特性測(cè)試

半導(dǎo)體激光器的PIV 測(cè)試是指在激光器加電過(guò)程中，對(duì)其功率、電流、電壓曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，同時(shí)對(duì)激光器的一些關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。這些指標(biāo)包括如下。

1.1 功率測(cè)試^[2]

功率測(cè)試包括輸出光功率測(cè)試、平均功率測(cè)試及峰值功率測(cè)試，其測(cè)試裝置組成如圖1 所示。

圖1 功率測(cè)試系統(tǒng)組成

其中，1 為半導(dǎo)體激光器；2 為驅(qū)動(dòng)電源，3 為光束整形器（適用時(shí)）；4 為衰減器（適用時(shí)）；5 為光閘（適用時(shí)）；6 為激光能量計(jì)或功率計(jì)。

輸出光功率為：

其中，P_op 為輸出光功率；τ_j 為衰減透射比；n 為測(cè)試次數(shù)；p_i 為第i 次記錄光功率值。

平均功率為：

其中，P_avg 為平均功率；n 為測(cè)試次數(shù)；P_opi 為第i 次測(cè)得的輸出光功率。

峰值功率為：

其中，P_p 為峰值功率；τ_j 為衰減器的透射比， n 為測(cè)試次數(shù)；P_pi 為第i 次記錄的峰值功率讀數(shù)。本文中功率測(cè)量采用積分球測(cè)得。

1.2 閾值電流

根據(jù)GB/T 31359—2015 中所述，對(duì)光功率曲線進(jìn)行擬合，本文計(jì)算方法采用方法三進(jìn)行閾值電流計(jì)算，如圖2 所示。

圖2 閾值電流計(jì)算的3種方法

閾值電流為：

閾值電流為的極大值，對(duì)應(yīng)電流即

1.3 斜率效率

斜率效率的計(jì)算如圖3 所示。

圖3 斜率效率計(jì)算

斜率效率為：

其中，ΔI=I2-I1；ΔP=P2-P1；SE 為斜率效率；I₂ 為工作電流I_op 的90%；P₂ 為工作電流I₂ 下對(duì)應(yīng)的激光功率；

I₁ 為工作電流I_op 的30%；P₁ 為工作電流I₁ 下對(duì)應(yīng)的激光功率。

1.4 光電轉(zhuǎn)換效率

激光器的光電轉(zhuǎn)換效率為：

其中，η_p 為光電轉(zhuǎn)換效率；I_F 為規(guī)定的工作電流；PF 為規(guī)定工作電流IF 對(duì)應(yīng)的激光功率；VF 為規(guī)定電流IF 對(duì)應(yīng)的正向電壓。在實(shí)際工作過(guò)程中，系統(tǒng)的激光器采用步進(jìn)加電過(guò)程，其斜率效率實(shí)際為一條隨電流增加而不斷變化的曲線，在為工作電流加電的過(guò)程中，將光電轉(zhuǎn)換效率的最大值作為所測(cè)激光器的光電轉(zhuǎn)換效率極值。

2   光譜特性測(cè)試

半導(dǎo)體激光器的光譜特性測(cè)試是指在恒定工作電流條件下，激光器對(duì)其光譜特性指標(biāo)的測(cè)量及計(jì)算，這些參數(shù)包括如下。

2.1 峰值波長(zhǎng)

峰值波長(zhǎng)是指施加電流到恒定值時(shí)激光器所呈現(xiàn)的波長(zhǎng)特性，取光譜強(qiáng)度最大Ih 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λp 為峰值波長(zhǎng)，如圖4 所示。

圖4 激光器峰值波長(zhǎng)

2.2 譜寬度

譜寬度指將激光器施加電流到恒定值時(shí)，根據(jù)光譜強(qiáng)度與波長(zhǎng)所得到的分布曲線，找到最大光譜強(qiáng)度50%所對(duì)應(yīng)的最大光譜間隔，如圖5 所示。

圖5 激光器譜寬度

譜寬度：

其中，Δλ_FWHM 為譜寬度；λ₁ 為最大光譜強(qiáng)度50% 所對(duì)應(yīng)的最短波長(zhǎng)；λ2 最大光譜強(qiáng)度50% 所對(duì)應(yīng)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。

2.3 中心波長(zhǎng)

中心波長(zhǎng)指將激光器施加電流到恒定值時(shí)，根據(jù)光譜強(qiáng)度與波長(zhǎng)所得到的分布曲線，找到最大光譜強(qiáng)度50% 所對(duì)應(yīng)的光譜間隔平均值。

圖6 激光器中心波長(zhǎng)

中心波長(zhǎng)：

其中，λ_c 為中心波長(zhǎng)；λ₁ 為最大光譜強(qiáng)度50% 所對(duì)應(yīng)的最短波長(zhǎng)；λ₂ 最大光譜強(qiáng)度50% 所對(duì)應(yīng)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。

3   測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文采用LabVIEW 編程對(duì)測(cè)試進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體包含硬件平臺(tái)搭建與軟件實(shí)現(xiàn)兩部分。

3.1 硬件平臺(tái)搭建

本文所述系統(tǒng)采用積分球作為激光功率及光譜信息收集設(shè)備，采用光功率探測(cè)器PD100 以及光譜分析儀USB2000 分別進(jìn)行光功率及光譜信號(hào)的收集。這樣做的好處在于，對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品而言，積分球可以有效降低探測(cè)位置側(cè)的功率，使得探測(cè)器所承受的能量值大為降低，同時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試量程。

由于半導(dǎo)體激光器在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，一般采用冷水機(jī)設(shè)定溫度進(jìn)行產(chǎn)品制冷。^[3] 在完成測(cè)試后，對(duì)殘留在產(chǎn)品中的水進(jìn)行吹氣排水處理。為提高測(cè)試產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，將系統(tǒng)在功能上分為產(chǎn)品裝卸產(chǎn)品位置與測(cè)試位置，首先，在產(chǎn)品裝卸位置采用氣缸對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)夾持，開(kāi)啟水路制冷，然后采用高精度絲杠帶動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)入測(cè)試位置開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試完成后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表，并回到初始裝卸位置，進(jìn)行吹氣排水處理，待下一個(gè)產(chǎn)品的測(cè)試。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖7 所示。

從圖中可以看出，安裝在積分球上的功率探頭及光譜光纖可以對(duì)激光器工作的全過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)通過(guò)工控機(jī)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集處理，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 進(jìn)行編程，其測(cè)試系統(tǒng)主界面如圖8 所示。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)主界面

該系統(tǒng)軟件分為PIV 測(cè)試及光譜測(cè)試兩部分，系統(tǒng)可以對(duì)激光器加電過(guò)程中的特性進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線記錄，同時(shí)給出各測(cè)量值的測(cè)試結(jié)果。在系統(tǒng)測(cè)試完成后，系統(tǒng)自動(dòng)形成報(bào)表，如圖9 所示。

圖9 激光器測(cè)試報(bào)表

本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái)搭建系統(tǒng)，如圖10 所示，可以實(shí)現(xiàn)不同封裝形式的模塊化切換，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試節(jié)拍為30 s/ 個(gè)。

圖10 半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)

4   結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)GB-31359—2015 半導(dǎo)體激光器測(cè)試方法系統(tǒng)化解讀，選擇其中部分關(guān)鍵性指標(biāo)，對(duì)半導(dǎo)體激光器的全過(guò)程測(cè)試進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠?qū)Π雽?dǎo)體激光器相關(guān)性能進(jìn)行快速測(cè)試并提供數(shù)據(jù)報(bào)表，為企業(yè)批量生產(chǎn)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T31359—2015 半導(dǎo)體激光器測(cè)試方法[S].http://www.doc88.com/p-1718601765856.html.

[2] 范賢光,孫和義,唐文彥,等.連續(xù)半導(dǎo)體激光器LIV特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外,2007(2):167-169.

[3] 項(xiàng)勤建,劉爽.一種半導(dǎo)體激光器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光電器件, 2009(9):374-376.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）