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的波長。當波長小于800nm時，硅是唯一的選擇。但電信領域中常用的波長在1300nm到1700nm之間，這時銦鎵砷是最好的，因為它的響應特性在此區(qū)間非常平穩(wěn)。然而，銦鎵砷對脈沖的響應存在問題。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，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表面上，安裝在積分球側面的探測器能“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，光纖通信設備的需求超過供給，生產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換器和一個高速多信道數(shù)字取樣示波器（DSO）。脈沖源產生脈沖，其它儀器測量電學和光學響應。

　　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能力。

　　這類系統(tǒng)可設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果可為被測器件的性能提供更完全的信息。

　　將所有相關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。