B2900A在半導體激光器測試中的應用

摘要：半導體激光器是光纖通訊，激光顯示，氣體探測等領域中的核心部件，受到全世界科技人員的廣泛關注。在半導體激光器的生產和研發(fā)過程中，B2900A精密測量單元以其各方面的優(yōu)勢將會在半導體激光器生產和科研等領域得到廣泛的應用。
關鍵詞：半導體激光器；B2900A精密測量單元

1 半導體激光器簡介
    半導體激光器是光纖通訊，激光顯示，氣體探測等領域中的核心部件，受到全世界科技人員的廣泛關注。在半導體激光器的生產、研發(fā)過程中，對激光器的光電特性的測量尤為重要，是控制激光器制備工藝的穩(wěn)定性，激光器性能可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。
    半導體激光器是半導體光電轉換器件。如圖1所示，半導體激光器由多層材料構成。自下而上包括背電極，襯底，下光限制層，下波導層，有源層，上波導層，上限制層，上電極。不同層由不同的外延材料組成。如此層狀結構是為了達到：

    (1)載流子(電子，空穴)的注入復合發(fā)光；
    (2)光子橫向限制，形成光波導的目的。
    外延完成的層狀結構要經過刻蝕工藝，形成脊波導，在脊波導上制備接觸電極。其目的是：
    (1)限制電流側向擴散；
    (2)形成光子的側向波導。制備完的圓片經過解理，鍍膜，燒焊，壓焊引線等工藝得到待測量的激光器。當向激光器電極注入電流時，激光器PN結兩側的電子和空穴大量的涌入有源區(qū)，在有源區(qū)電子空穴對復合，產生大量的光子，光子在波導的作用下沿軸方向傳播，在激光器端面，反射光形成激射條件，透射光則為激光器輸出的激光。

2 激光器工作特性
    激光器工作特性主要體現(xiàn)在：
    (1)PN結特性，串聯(lián)電阻；
    (2)激光器的激射閾值，激光器斜率效率。這些特性決定了激光器的出光功率Po，功率轉換效率ηp，工作壽命等性質。生產和科研過程中經常采用PIV測量方法獲得這些重要參數(shù)。

3 PIV測試系統(tǒng)
    半導體激光器PIV特性即對激光器注入電流I時，激光器的出光功率P和激光器兩極電壓V的響應特性。與普通的PN結二極管等兩端器件不同，半導體激光器PIV測試不僅要測量激光器的電壓-電流(V-I)特性，重要的是同時完成激光器的功率-電流(P-I)特性的測試。因此，半導體激光器PIV測試系統(tǒng)包括精密電流源，電壓表，功率計和負責控制、儀器間通訊、數(shù)據采集和處理的軟件部分。傳統(tǒng)的PIV測試系統(tǒng)南分立的電流源(集成有電壓表)，電流計和控制軟件組成。電流源用于提供激光器注入電流和測量電壓，電流計連接積分球用于測量激光器功率，電流源和電流計通過GPIB端口與軟件聯(lián)接，完成測量觸發(fā)，數(shù)據傳輸?shù)热蝿铡?br />     復雜的PIV測試系統(tǒng)存在很多問題：
    (1)測量速度不高，單位時間內測量的點數(shù)少，增加了測量耗時；
    (2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，由GPIB端口連接的儀器間會出現(xiàn)數(shù)據傳輸阻塞的問題，系統(tǒng)容易癱瘓；
    (3)系統(tǒng)的可控性差，測量速度、掃描點數(shù)，掃描方式不可根據測量要求進行調整。在大量的半導體激光器光電測試過程中，傳統(tǒng)的PIV測試系統(tǒng)出現(xiàn)了效率低、可靠性、可控性差的問題。
3．1 B2900A集成PIV測試系統(tǒng)
    B2900A集成PIV測試系統(tǒng)(簡稱集成PIV系統(tǒng))由本實驗組自行設計搭建，采用精密源測量單元SMU和積分球探測器組合系統(tǒng)進行PIV測試。系統(tǒng)結構簡單、精度高、可靠性好、速度快，提高生產效率的同時也增加了測試精度和可靠性，降低了大量測試的成本。集成PIV系統(tǒng)由系統(tǒng)主要由B2900A雙通道精密源測量單元SMU、積分球、夾具及軟件組成。B2900A的一個通道CH1作為激光器的電流源同時測量激光器的電壓V。LD的激射出光耦合入積分球，由積分球探測器轉化成光電流進入。B2900A的另一個通道CH1，用B2900A CH2測得的光電流乘以積分球探測器功率電流轉換系數(shù)就得到了激光器的出光功率。B2900A由USB端口與PIV測量軟件連接，完成測量控制和數(shù)據采集。圖2為實驗連接圖。測量時，通過PIV測試軟件設置測試的參數(shù)，CH1和CH2內部同時觸發(fā)進行PIV測量，數(shù)據通過USB端口實時的返回軟件。通過軟件界面可以實時的觀測激光器的動態(tài)特性。同時，可以根據軟件測量數(shù)據快速的分析出每個激光器的特性參數(shù)，包括正向壓降VF、光功率Po、閾值電流Ith、拐點Ikink等參數(shù)。

    集成PIV系統(tǒng)在進行大量激光器PIV測試過程中突現(xiàn)出易操作、高精度、高效率、高可靠等優(yōu)越性能。激光器的所有測試參數(shù)都可以在軟件界面上輕松設置，包括電流源電壓源切換，直流脈沖切換，電流范圍，限制電壓，掃描方式，掃描點數(shù)，掃描時間及速度等。這使得不同測設條件間參數(shù)蒯整方便快捷。其次，B2900A精密源測量單元的電流測量精度可以達到0．1 nA。高阻半絕緣結構(107～8Ω)測量時，在較小的驅動電壓(<1 V)下就可以精確的測量出高阻結構的電阻值。同時，激光器的功率與電壓電流同步測量，無需外部協(xié)同觸發(fā)。掃描測量時，8 s內可以完成大于400點的測量。如圖3和圖4所示。

    集成PIV系統(tǒng)的可擴充性也是其在半導體激光器研發(fā)領域應用中的突出的優(yōu)點。集成PIV系統(tǒng)的硬件部分，包括B2900A精密測量單元，測量平臺，由GPIB或USB等端口與計算機連接。因此，集成PIV系統(tǒng)硬件部分可以配合用戶通過National Instrument等軟件平臺編寫的測試軟件程序，完成用戶需要的，更為復雜的測量任務。

4 結束語
    在半導體激光器的生產和研發(fā)過程中，要對半導體激光器芯片進行大量的PIV測試。相比傳統(tǒng)的分立復雜的PIV測試系統(tǒng)，B2900A精密測量單元集成的PIV測試系統(tǒng)具有系統(tǒng)結構簡單，操作方便，精度高，可靠性強，測量迅速等優(yōu)勢，大大降低了激光器芯片PIV性能測量的操作成本，時間成本，同時增加了PIV測量的靈活性。B2900A精密測量單元將會在半導體激光器生產和科研等領域得到廣泛的應用。