2022年脉冲驱动激光二极管 .pdf

#11 脉冲驱动激光二极管 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2脉冲驱动激光二极管 by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz 介绍 相对较高的峰值功率和工作效率使得脉冲激光二极管成为固态激光器泵浦和范围测定这类应用的理想选择。脉冲激光二极管工作时通常占空比相对较低，因此平均功率较低，这样就可能达到更高的峰值功率。所以产生的热量并不很高。另一方面，连续波激光二极管要承受的热量比脉冲激光器高。这是由于在连续波工作期间，器件的热电阻使得结温度显著增加。所以连续波激光二极管一般需要很好的热沉封装和/ 或用热电致冷。 脉冲驱动激光二极管是测试其质量和热效率的一个强大的分析工具。本文描述了通过用电流脉冲驱动激光二极管来进行测试的方法，提出了脉冲驱动激光二极管的几点困难，并给出了克服或避免的方法。文中介绍了一个简单的实验，用ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源来驱动一个典型的激光二极管。这里主要表现的是脉冲驱动二极管出现的问题。最后描述了LDP-3811的典型应用。 为什么要脉冲驱动一个连续波激光二极管？ 在低占空比情况下脉冲驱动连续波激光二极管的能力在二极管评测中很有用。其应用可划分为两个广泛领域。第一个是封装前通过/ 失败测试；第二个是器件特性评价。这两种应用都利用了脉冲方式驱动激光二极管不会产生大量热量的优点。可在热效应最小的情况下完成测试和特性评价。 封装前测试 对于这种应用，低占空比的脉冲可用于半 导体制造工艺后的晶圆或条级测试。单点 光测量或 L/I曲线(光输出 vs. 驱动电流)能用来“预筛选”工艺处理后的晶圆。它能将有缺陷的晶圆在花费不匪的切割和 封装操作之前就清除掉，建立制造工艺的成品率数目和性能。(注意对于这些测试相对测量比绝对精度更重要。) 特性测试 脉冲测试的第二个应用领域是对封装好的器件的特性测试。很多关于激光二极管特性的工业文档既推荐连续波测试也推荐脉冲波测试。(贝尔交流研究出版的题为“光电器件可靠性保证实践”的技术咨询文档 TA-TSY-000983 就是这样。)通过比较脉冲和连续波工作方式，可以评测像输出功率、波长和阈值电流这样一些与温度相关的参数。图1 所示的是一个典型激光二极管的 L/I 曲线。 这些曲线既表示了低占空比脉冲模式，又表示了连续波工作模式。连续波曲线阈值电流的增加和斜率效率的略微减少(与脉冲曲线比较)主要是由器件热电阻引起的结温度上升造成。(脉冲L/I曲线所用的脉宽一般为 100 至 500ns ，占空比小于百分之一，因此热效应不明显。) 脉冲与连续波 L/I 曲线的比较也可用来检图 1 典型激光二极管的脉冲及连续波L/I曲线 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 3验芯片/ 封装界面的热传输质量。通过计算连续波工作模式下的等效结温上升可确定温度系数。这种测试方法比温度周期变化要快得多。还有连续波和脉冲L/I曲线间的差别异常大时可能说明芯片连接不好或是有结渗漏，这通常意味着激光器质量不佳。 绝对精度对于这些测试应用很重要。由于需要对连续波性能进行修正，脉冲驱动幅度必须很精确。对任何测试应用而言，可重复性也是很重要的。 脉冲驱动激光二极管的问题 为得到精确和可重复的结果，脉冲测试需要格外细致。随着速度增加，出现了连续波测试装置中不会出现的附加噪声(与时间相关)。下面的篇幅列出了所关心的方面，也提供了一些对安全成功地完成激光二极管测试有用的建议。 阻抗匹配 高速脉冲驱动激光二极管时，要考虑到正常的传输线路影响。为达到例如10ns 这样的上升时间，缆线带宽必须在100MHZ以上。在这些频率下，用传输线路理论来确定系统性能。(关于传输线路理论的书很多，参考文献1 列出了一本。)为正确传输高速脉冲，保持系统的受控阻抗是一个基本考虑。为保持激光二极管或负载有干净的脉冲波形，到二极管的缆线必须适当端接。如果系统有部分阻抗不同，由于结上信号的反射会造成输出功率的损失。这些反射会在传输线路上产生固定波图案，表现为脉冲上的瞬时扰动。这种情况下会使激光器畸变甚至损坏。 ILX Lightwave LDP-3811电流源的输出级设计成用来驱动标准的50传输线路。 由于 LDP-3811 是电流源，由负载失配引起的反射不会被源阻抗吸收，但会被再次反射。如上所述这会造成传输线路上的固定波图案，引发脉冲瞬时扰动。由于激光二极管的动态阻抗通常比50要小得多，必须使用一个匹配网络。最简单的可以用一个阻值等于50与二极管动态阻抗之差的电阻(与二极管串联)。凭经验来言,47的电阻是一个好的起始值。(见后面的“动态阻抗”部分。)若二极管有很大的电抗分量或有杂散电抗因素，则可能需要额外的匹配。为使匹配更佳，最好使用微波 Smithchart技术。参考文献 1、2都很好地讨论了这个问题。 动态阻抗 激光二极管的阻抗很复杂，可以作一些假设来简化。它本质上是非线性的。任何匹配都要应用于特定场合。激光二极管接通时会呈现高阻抗，然后突然变成低阻抗。这种现象易引起脉冲上升期间的误差。必须与传输线路匹配的是低阻抗部分。 “开”电阻(Ron)的典型值范围是从1/2到20。总的负载匹配阻抗应为50，因此如上所述需与阴极(同轴电缆中心导线)串接一个值为(50- Ron)欧姆的端接电阻。用曲线记录装置或测试系统得到的I/V 曲线很容易确定 Ron的值。或者，手动测量电压拐 点 上 的 两 个 点 也 可 确 定 :Ron(V1-V2)/(I1-I2).当然对于阻值随电压、频率或温度显著变化的激光器，会存在某种程度的很难消除的失配或误差。 端接电阻的额定功率也应提出。在全部输出的情况下，LDP-3822脉冲电流源能输出12.5W ，其中大部分功率给了负载匹配电阻。这个电阻必须有足够大的额定功率来承受希望被系统传递的负载周期的最大电流。这个电阻的电感也必须很低，因此不能用绕线电阻器。对于很多低阈值激光器的应用场合，用小的片型电阻器(表面封装型)或金属薄膜会有很好的效果。 安装/ 固定 考虑到要被脉冲驱动的激光二级管的安装，两个问题很重要。第一，到二极管的阻抗必须是可控的。这通常用有着相对短的引线的 50传输缆线来实现。 第二，加名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 4在二极管上的电容必须最小。考虑到封装电容时这尤其重要，因为二极管的阳极或阴极通常连接到表壳。 LDP-3811电流源输出使阳极电压保持在一个恒定值。因此，电流被脉冲驱动时，阴极上的电压波形是方波。若阴极连到表壳，(或更糟，连到表壳、安装架、光学平台和地)，这些结构间的寄生电容会使上升时间缓慢，或产生杂散信号干扰，使得结果的可重复性变差。 为减小这种电容效应，希望电气连接到激光器的导电表面非常小，固定装置中金属一般在几个平方英寸的数量级。当然，比起其它因素，激光器连接的配置更易受这一点影响。 通常希望安装提供： 1. 与系统其它部分电隔离 2. 仔细的传输线路端接，使电感最小(即用非常短的引线) 3. 良好的热耦合和/ 或控制 4. 良好的定位可重复性 5. 容易使用待测试的器件 通常用塑料螺钉(或有塑料垫圈的金属螺钉)使装配保持到一起，来一起实现电和热隔离(在热电控制安装的情况下)。在花费合理的情况下，用氧化铍制成的衬底能用一种材料同时提供绝缘和热耦合。 电源地电容 好的电源有一个浮地输出端。这意味着电源可以连接到一个电势与地不同的负载上。对于直流电压和电流源，可通过隔离内部电路地和实际地来实现。在脉冲电源情况下，从电路地到实际地的容性耦合(通常通过变压器绕组)会引起脉冲输出减少。当电路地必须随着实际地以与脉冲上升时间相同的速度变化时会这样。变压器和机壳的杂散电容会降低脉冲响应。大多数情况下可修改测试装置的配置来弥补。(电源线路连接上的隔离变压器通常会减小这些效应。) 电压脉冲的缺点 在激光二极管测试情况下，相对普遍的是采用电压源来脉冲驱动二极管，通常这样做仅仅是为了方便。然而，激光二极管本来就是电流相关器件，应该用电流源来驱动。图 2 描绘的是一典型的激光器V/I 曲线。可以看出如果器件温度(及它的V/I特性)变化，即使在电压保持恒定的情况下也会造成大的电流波动(因而引起光输出的大的变化)。类似地，驱动电压的微小波动也会相应引起电流和输出功率的巨大变化。这样，用电压源得到精确的脉冲更困难。 若用电压源来脉冲驱动二极管，需要用测量经验值来确定二极管电流。在有几种不同类型的二极管或是希望动态阻抗变化很大的情况下，这些测量值需要是可重复的。电压脉冲还有着低阻抗源的缺点。大多数电压源比电流源瞬时电流能力要大。这种能力在脉冲驱动时给负载提供了更多瞬时电流。如果输出打开时断开电路，再连上，电流瞬变值会特别大。 用 ILX Lightwave LDP-3811电流源来驱动激光二极管的优点包括可独立控制负载，直接测量电流，瞬态保护，还有可能造成器件损坏的过冲和尖峰更低。 同步数据采集 一个或更多参数变化时，对期望事件的重复测量是很枯燥和耗时的，尤其在需要大量同步数据时。对源和测量仪器的远程控图 2 典型激光器电压V/I 曲线 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 5制 对 自 动 数 据 采 集 很 有 帮 助 。 ILX Lightwave LDP-3811独特之处在于提供了GPIB 控制及触发入/ 出功能。主机可以通过 GPIB 接口给仪器发命令 ( 传送一个测试信号)，然后从另一远程器件读源仪器触发事件(测量)。例如一个产生脉冲和连续波 L/I曲线的简单系统可能包括带有GPIB接口卡的 IBM或兼容 PC ，带 GPIB的LDP 3811 脉冲电源，ILX LDM-4407 二极管安装装置，准直探测器和相关信号处理电子设备，HP 3457A 万用表。 GPIB接口允许从远至 20m外的主机远程控制脉冲源和其它GPIB 可寻址仪器。在同一 GPIB接口总线上可连接共15 台仪器。LDP-3811 所有的前面板控制都可通过接口寻址，允许快速、简便、灵活的测试装置建立和控制。 触发入/ 出功能允许源信号和测量信号的同步。为此提供了触发输入和输出连接。两种触发信号都是兼容TTL电平的。 在 “外部触发”模式，二极管脉冲由 “触发输入”端口引入的外部控制触发。这个端口是用外部事件来使脉冲与二极管同步。 由 3811可设置脉宽。“触发输出”端口由电流源脉冲触发，用来使外部事件和激光器驱动脉冲同步。这在box-car积分和采样-保持采集这样的高速光脉冲测量中很有用。触发入/ 出延时和抖动根据电流输出脉冲确定。这在建立和校准测试系统时很重要；这些延迟及源脉冲和最终光脉冲间的延时都要说明。 实验 下列实验的目的是为了表明驱动激光二极管时失配和杂散电抗对脉冲波形的影响。对于每种测试配置，记录下二极管脉冲和相应光输出，表示出测试装置改动造 成的脉冲波形的变化。光脉冲响应会通过L/I曲线的斜率放大驱动电流的变化。图3 所示的是实验中所用的基本测试装置。包括 ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源 ， 一 根50 的 传 输 缆 线 ， 一 个Mitsubishi4405激光二极管，一个ILX LDM-4412 温控激光二极管安装装置和一个 Newport875 高速 PIN 光电探测器。为描述前面列出的潜在问题， 对从 LDP-3811到激光器的接口作了些修改，并列出了其影响。 注意下面所有示波器波形上面的是通道1，通道2 是光脉冲。图 3 实验测试装置。 此测试装置用到的仪器有：ILX LDP-3811脉冲电流源， Tektronix数字示波器， Newport高速探测器， ILX 常规 TO5二极管安装装置。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 6实验 1：第一个实验表明负载失配对于脉冲波形的影响。图1A表示的是串联 45电阻时的脉冲响应。 这个负载提供了很好的阻抗匹配。图 1B表示的是 45电阻变为 25时的响应。它表现的是一个二对一的失配。 失配造成了脉冲建立前输入瞬态值和附加瞬时扰动的显著增加。 实验 2：第二个改动是增加杂散电抗性阻抗到负载。回头参考图 1A ，表示的是良好负载匹配(45电阻)情况下的标准响应。图2A表示的是增加附加电容电抗的影响。图中驱动电缆的阴极电气连接到光学平台上。图2B表示的是增加电感电抗的影响。图中一根4 英寸长的 28AWG 线加在二极管安装装置的50缆线的阳极和阴极端。 增加的电感电抗引起电流峰值增加。失配也引入了很大的瞬时扰动。 图 2A:阴极连接到安装装置 图2B:4线加到“好”缆线上 ( 增加电容 ) (增加电感 ) 图 1A:与激光二极管串联45 欧姆的负载 图1B:与激光二极管串联25 欧姆的负载 ( 负载匹配良好 ) (负载失配 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 7实验 3：为表现纯粹的电阻性负载与非线性阻抗的二极管间的差异，记录了两种情况。图 3A中用二极管和 45的电阻作负载。 图 3B中用 50碳电阻作负载。 波形略有差异，尤其在接通时， 是二极管阻抗变化最大的时候。 由于二极管与二极管间的接通阻抗和动态阻抗不同， 驱动波形比 50电阻负载差异更大的二极管会需要额外的负载匹配元件。实验 4：本实验记录了阴极接地的影响。图4A 是标准配置(二极管阳极接地)的响应。图 4B是二极管阴极接地的响应。LDP-3811 输出级可见的附加容性电抗引起瞬时扰动。由于附加的容性电抗，上升时间也大大减慢了。 图 3A:50 欧姆负载 图3B:仅 50 欧姆电阻负载 (45 欧姆负载与激光二极管串联) 图 4A:阳极接地 图4B:阴极接地 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 8实验 5：第五个实验涉及的是比较用来驱动激光器的LDP-3811 电流源和标准电压源脉冲产生器之间的差别。两个图用的都是用45电阻作负载。图5A 表示了用 LDP-3811电流源的响应。为用电压源驱动二极管到同样的电流值，计算出所需的电压幅值。图5B 是电压脉冲的响应。接通瞬态值的增加虽然在驱动波形中不明显，在光输出波形中却表现得很清楚。这是由于电压源浪涌电流容量的增加引起。 结论设计上述实验是为了表明文章开头讨论的问题的影响。可用来指导如何避免这些常见的缺陷来产生干净的波形。测试配置中出现不规则和失真波形时，本文可作为定义问题的参考。当要求上升时间很快时，器件特性和封装杂散电抗大范围的变化需要注意细节。然而若小心地减少杂散电容，正确地匹配负载阻抗，ILX Lightwave LDP-3811能简化脉冲测量，很容易在大量应用中得到一致和可重复的数据。 使用 LDP-3811 电流源ILX Lightwave LDP-3811是一个基于微处理器的电流源，能够在精确的脉冲模式和稳定的连续波模式下工作。 另外，3811独特之处在于它提供了GPIB控制和触发入/出功能。因此LDP-3811 是产生上述连续波 vs. 脉冲 L/I 曲线的理想选择，尤其当由于没有必要在测试间转换电流源，对激 光二极管有损害的操作(如果不小心)会导致不实的结果时。为获取脉冲 vs.连续波 L/I 数据，可用主机发命令给 LDP-3811 工作在脉冲和连续波模式下(不超过500mA的任意幅值，在某些程序步)。脉冲模式下，频率和脉宽也是可编程实现的。也能给主机编程在万用表或数字示波器上读取3811 触发的二极管功率测量值(在每个程序电流步)。探测器校正表可以存在一个文件中，当把探测器电压转换为光功率时可使用。通过一些附加程序，可以产生连续波和脉冲电流L/I曲线，在屏幕上显示或是用外围绘图仪器绘制出来。 如上所述，ILX Lightwave LDP-3811让用户很容易调整脉冲幅度、脉宽(从100ns到 1ms) ， 脉冲重复周期从 1us 到大于 1ms 。这样的灵活性使得在工程师想为用激光二极管的产品定义精确的驱动性能规格时， LDP-3811成为了一个特别有用的设计工具。图 5A:LDP-3811 脉冲电流源驱动的激光二极管 图5B:电压源驱动的激光二极管 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 9参考文献1.Rizzi, Peter A. Microwave Engineering. Prentice-Hall, Inc., 1988. 2.Vendelin, George D. Design of Amplifiers and Oscillators by the S-parameter Method. John Wiley & Sons, Inc., 1982. 如需更多关于技术支持和产品的信息, 请与我们联系ILX Lightwave Corporation PO Box 6310, Bozeman, MT 59771-6310 电话 : 406-556-2481 . 800-459-9459 . 传真: 406-586-9405 电邮: 欲获得 ILX国际代理和产品维修中心的联系方式，或者需要最快索取产品、技术支持、LabView驱动及其它应用指南，请浏览。 Copyright ? 2006 ILX Lightwave Corporation, All Rights Reserved Rev 3/13/06 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -