脉冲注入式半导体激光器电-光-热特性及其测试技术研究

摘要

作为一种新型的激光光源，半导体激光器（Laser Diode，简称LD）因其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高和能直接调制，以及与其它半导体器件集成的能力强等优点，已经成为重要的商品而得到广泛的应用，其工作稳定性和可靠性在应用系统中起着关键作用。半导体激光器是精密的光电子器件，伴随着其应用范围的扩大，对其性能也提出了越来越高的要求，从晶片—管芯—组件装配的各个阶段，都要求对器件进行严格的测试，以保证器件的成品率和可靠性，从而对半导体激光器的性能表征测试技术的研究提出了新的要求。为此，本文对有关半导体激光器电-光-热特性的研究现状进行了详细分析，并针对目前半导体激光器性能表征测试存在的问题，对脉冲注入下半导体激光器特性及其表征测试进行了深入的研究和探讨。
　　基于半导体激光器的单模速率方程，建立了脉冲注入式半导体激光器电学和光学等效电路模型，该模型将脉冲驱动源、寄生参量和热耗散电流集成到等效电路模型中，仿真与实验结果表明，该模型能够更有效地用于分析和表征器件的工作特性。利用该模型对脉冲注入下半导体激光器的工作特性进行了非稳态和稳态分析，得出了偏置电流、脉冲峰值电流、脉冲宽度和脉冲周期，以及工作温度对半导体激光器光电特性变化影响的基本规律，这为半导体激光器的脉冲驱动与测试技术的深入研究提供了理论基础。
　　针对脉冲注入式半导体激光器热特性研究的需要，在对半导体激光器热产生机制及热流分析的基础上，建立了半导体激光器传热模型，并推导出计算脉冲注入式半导体激光器有源区的温度解析式，同时，建立脉冲注入式半导体激光器的热网络模型。实验结果表明，该方法是一种行之有效的建模方法，从而为脉冲注入下半导体激光器的传热特性分析及温度控制系统的研究提供了简便的模型。利用该模型对影响脉冲注入式半导体激光器有源区温度稳定性的因素进行了分析，结果表明，脉冲峰值电流、脉冲宽度、脉冲周期以及外部环境温度都是影响有源区温度稳定性的重要因素。
　　根据脉冲注入式半导体激光器电-光-热特性表征测试的需要，建立了集温度控制、脉冲驱动源与测试单元于一体的综合测试系统。以矩形脉冲信号作为耦合输出接口的开关控制信号，采用恒流源+耦合输出接口的方法来设计脉冲驱动电流源，有效地保证了脉冲电流的峰值稳定度、脉冲上升时间和下降时间，实现了脉冲电流幅值、脉冲宽度和脉冲周期，以及采样门信号的连续独立可调；测试单元以与脉冲电流源同步的采样门信号作为控制信号来控制高速的采样保持器，可实现多路脉冲信号快速同步采样；数字控制器采用高性能单片机与利用FPGA器件实现的逻辑控制相结合的设计方法，有效地提高了系统的可靠性和可扩展能力。通过与现有的连续半导体激光器特性参数测试系统的比对测试实验证明了所研制的脉冲注入式测试系统的可行性，且具有最小脉冲宽度达100ns的窄脉冲驱动和测试能力。该测试系统和测试方法有效地解决了热特性差或散热情况未知的半导体激光器特性表征测试。
　　以脉冲注入下的端电压作为温敏参数进行了半导体激光器有源区温升测量，并以此作为热特性的表征。采用脉冲电流作为激励源来定标端电压的温度系数，同时研究了脉冲宽度和脉冲周期对端电压的影响规律，确定了采用脉冲宽度为100ns，脉冲周期为10μs的脉冲电流作为定标电流的可行性，该方法考虑了注入电流的自热效应，有效地提高了端电压温度系数的定标精度，利用脉冲注入式端电压法可以方便的测试激光器自发发射和受激发射阶段的器件的热特性，与其它方法相比，更具有通用性。

目录

脉冲注入式半导体激光器电-光-热特性及其测试技术研究

STUDY ON THE ELECTRO-OPTO-THERMAL CHARACTERISTICS AND ITS TESTING TECHNOLOGY OF LASER DIODE WITH PULSE INJECTION

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 电注入式半导体激光器发展概述

1.3 半导体激光器建模方法与特性分析研究现状

1.4 半导体激光器热特性研究现状

1.5 半导体激光器的控制与测试技术研究现状

1.5.1 连续注入测试技术

1.5.2 脉冲注入测试技术

1.5.3 温度控制技术

1.6 存在的主要问题

1.7 主要研究内容

第2章 基于速率方程的脉冲注入式LD 等效电路模型与特性研究

2.1 引言

2.2 基于速率方程的半导体激光器数学模型

2.3 半导体激光器的等效电路模型

2.3.1 双端口模型

2.3.2 等效电路模型

2.4 仿真验证

2.5 脉冲注入式半导体激光器非稳态特性分析

2.6 脉冲注入式半导体激光器稳态特性分析

2.6.1 注入电流对光输出的影响

2.6.2 电流脉冲宽度对光输出的影响

2.6.3 电流脉冲周期对光输出的影响

2.6.4 工作温度对光电特性的影响

2.7 本章小结

第3章 脉冲注入式半导体激光器传热模型与分析

3.1 引言

3.2 半导体激光器的热响应过程分析

3.2.1 半导体激光器的物理结构

3.2.2 热产生机制与热流分析

3.3 脉冲注入式半导体激光器热响应数学模型

3.4 脉冲注入式半导体激光器的热网络模型

3.5 LD 管芯有源区热响应及其影响因素

3.5.1 单脉冲和周期性脉冲激励下有源区的热响应

3.5.2 脉冲峰值电流对有源区温度的影响

3.5.3 脉冲频率对有源区温度的影响

3.5.4 脉冲宽度对有源区温度的影响

3.5.5 环境温度对有源区温度的影响

3.6 本章小结

第4章 脉冲注入式半导体激光器特性表征测试技术研究

4.1 引言

4.2 脉冲注入式半导体激光器光电特性测试方法

4.2.1 脉冲驱动控制与测试

4.2.2 亚微秒光脉冲稳态功率取样方法

4.3 脉冲注入式半导体激光器温升测试方法

4.4 脉冲注入式半导体激光器特性表征测试系统

4.4.1 系统总体结构

4.4.2 脉冲驱动控制模块

4.4.3 数字控制模块

4.4.4 光功率探头

4.4.5 温度控制模块

4.4.6 激光器夹具装置

4.4.7 计算机应用程序

4.5 本章小结

第5章 实验结果与分析

5.1 引言

5.2 实验系统

5.3 系统性能实验

5.3.1 驱动电流标定实验

5.3.2 脉冲峰值电流稳定性测试实验

5.3.3 光功率标定实验

5.3.4 光功率重复性测量实验

5.4 光电特性测试实验

5.5 半导体激光器热特性测试实验

5.5.1 不同脉冲峰值电流下端电压与温度的关系

5.5.2 脉冲宽度和脉冲周期对端电压的影响

5.6 验证实验

5.6.1 半导体激光器的等效电路模型验证

5.6.2 半导体激光器传热模型验证

5.7 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历