脈沖注入式半導(dǎo)體激光器電-光-熱特性及其測試技術(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等優(yōu)點，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)用范圍的擴大，對其性能也提出了越來越高的要求，從晶片—管芯—組件裝配的各個階段，都要求對器件進行嚴格的測試，以保證器件的成品率和可靠性，從而對半導(dǎo)體激

2、光器的性能表征測試技術(shù)的研究提出了新的要求。為此，本文對有關(guān)半導(dǎo)體激光器電-光-熱特性的研究現(xiàn)狀進行了詳細分析，并針對目前半導(dǎo)體激光器性能表征測試存在的問題，對脈沖注入下半導(dǎo)體激光器特性及其表征測試進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，仿真與實驗結(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。利用該模型對脈沖注入下半導(dǎo)體激光器的工作特性進行了非穩(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)動與測試技術(shù)的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　針對脈沖注入式半導(dǎo)體激光器熱特性研究的需要，在對半導(dǎo)體激光器熱產(chǎn)生機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，建立脈沖

4、注入式半導(dǎo)體激光器的熱網(wǎng)絡(luò)模型。實驗結(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)的研究提供了簡便的模型。利用該模型對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-熱特性表征測試的需要，建立了集溫度控制、脈沖驅(qū)動源與測試單元于一體的綜

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

6、靠性和可擴展能力。通過與現(xiàn)有的連續(xù)半導(dǎo)體激光器特性參數(shù)測試系統(tǒng)的比對測試實驗證明了所研制的脈沖注入式測試系統(tǒng)的可行性，且具有最小脈沖寬度達100ns的窄脈沖驅(qū)動和測試能力。該測試系統(tǒng)和測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試。
　　以脈沖注入下的端電壓作為溫敏參數(shù)進行了半導(dǎo)體激光器有源區(qū)溫升測量，并以此作為熱特性的表征。采用脈沖電流作為激勵源來定標端電壓的溫度系數(shù)，同時研究了脈沖寬度和脈沖周期對端電壓的