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11 脉冲驱动激光二极管 脉冲驱动激光二极管 2脉冲驱动激光二极管 脉冲驱动激光二极管 by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz 介绍 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？ 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 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 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 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 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 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 50Ω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 50Ω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 50Ω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 Ω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 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 1/2Ω到 20 Ω总的负载匹配阻抗应为 50Ω，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 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 50Ω传输缆线来实现第二，加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. 1. 与系统其它部分电隔离 2.2. 仔细的传输线路端接，使电感最小(即 用非常短的引线) 3.3. 良好的热耦合和/或控制 4.4. 良好的定位可重复性 5.5. 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 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 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 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 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 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 Ω 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。