脈沖注入式半導(dǎo)體激光器電-光-熱特性及其測(cè)試技術(shù)研究.pdf

1、作為一種新型的激光光源，半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，簡(jiǎn)稱LD）因其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高和能直接調(diào)制，以及與其它半導(dǎo)體器件集成的能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為重要的商品而得到廣泛的應(yīng)用，其工作穩(wěn)定性和可靠性在應(yīng)用系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。半導(dǎo)體激光器是精密的光電子器件，伴隨著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)其性能也提出了越來(lái)越高的要求，從晶片—管芯—組件裝配的各個(gè)階段，都要求對(duì)器件進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，以保證器件的成品率和可靠性，從而對(duì)半導(dǎo)體激

2、光器的性能表征測(cè)試技術(shù)的研究提出了新的要求。為此，本文對(duì)有關(guān)半導(dǎo)體激光器電-光-熱特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析，并針對(duì)目前半導(dǎo)體激光器性能表征測(cè)試存在的問(wèn)題，對(duì)脈沖注入下半導(dǎo)體激光器特性及其表征測(cè)試進(jìn)行了深入的研究和探討。
　　基于半導(dǎo)體激光器的單模速率方程，建立了脈沖注入式半導(dǎo)體激光器電學(xué)和光學(xué)等效電路模型，該模型將脈沖驅(qū)動(dòng)源、寄生參量和熱耗散電流集成到等效電路模型中，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能夠更有效地用于分析和表征器件的工

3、作特性。利用該模型對(duì)脈沖注入下半導(dǎo)體激光器的工作特性進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，得出了偏置電流、脈沖峰值電流、脈沖寬度和脈沖周期，以及工作溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器光電特性變化影響的基本規(guī)律，這為半導(dǎo)體激光器的脈沖驅(qū)動(dòng)與測(cè)試技術(shù)的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　針對(duì)脈沖注入式半導(dǎo)體激光器熱特性研究的需要，在對(duì)半導(dǎo)體激光器熱產(chǎn)生機(jī)制及熱流分析的基礎(chǔ)上，建立了半導(dǎo)體激光器傳熱模型，并推導(dǎo)出計(jì)算脈沖注入式半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的溫度解析式，同時(shí)，建立脈沖

4、注入式半導(dǎo)體激光器的熱網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法是一種行之有效的建模方法，從而為脈沖注入下半導(dǎo)體激光器的傳熱特性分析及溫度控制系統(tǒng)的研究提供了簡(jiǎn)便的模型。利用該模型對(duì)影響脈沖注入式半導(dǎo)體激光器有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，脈沖峰值電流、脈沖寬度、脈沖周期以及外部環(huán)境溫度都是影響有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的重要因素。
　　根據(jù)脈沖注入式半導(dǎo)體激光器電-光-熱特性表征測(cè)試的需要，建立了集溫度控制、脈沖驅(qū)動(dòng)源與測(cè)試單元于一體的綜

5、合測(cè)試系統(tǒng)。以矩形脈沖信號(hào)作為耦合輸出接口的開關(guān)控制信號(hào)，采用恒流源+耦合輸出接口的方法來(lái)設(shè)計(jì)脈沖驅(qū)動(dòng)電流源，有效地保證了脈沖電流的峰值穩(wěn)定度、脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了脈沖電流幅值、脈沖寬度和脈沖周期，以及采樣門信號(hào)的連續(xù)獨(dú)立可調(diào)；測(cè)試單元以與脈沖電流源同步的采樣門信號(hào)作為控制信號(hào)來(lái)控制高速的采樣保持器，可實(shí)現(xiàn)多路脈沖信號(hào)快速同步采樣；數(shù)字控制器采用高性能單片機(jī)與利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)的邏輯控制相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，有效地提高了系統(tǒng)的可

6、靠性和可擴(kuò)展能力。通過(guò)與現(xiàn)有的連續(xù)半導(dǎo)體激光器特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的比對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明了所研制的脈沖注入式測(cè)試系統(tǒng)的可行性，且具有最小脈沖寬度達(dá)100ns的窄脈沖驅(qū)動(dòng)和測(cè)試能力。該測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法有效地解決了熱特性差或散熱情況未知的半導(dǎo)體激光器特性表征測(cè)試。
　　以脈沖注入下的端電壓作為溫敏參數(shù)進(jìn)行了半導(dǎo)體激光器有源區(qū)溫升測(cè)量，并以此作為熱特性的表征。采用脈沖電流作為激勵(lì)源來(lái)定標(biāo)端電壓的溫度系數(shù)，同時(shí)研究了脈沖寬度和脈沖周期對(duì)端電壓的