脉冲驱动激光二极管

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

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

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,47Ω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(R

on

)的典型值范围是从1/2Ω到20Ω。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- R

on

)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R

on

的值。或者，手动测量电压

拐点上的两个点也可确定:R

on

＝(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50Ω传输缆线来实现。第二，加