專利名稱：中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量表征系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量表征技術(shù)，更確切地說，本發(fā)明提供一種建立中紅外波段半導(dǎo)體激光器測量系統(tǒng)的解決方案以及相關(guān)的測量技術(shù)，屬于半導(dǎo)體測試技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明提供的測量表征系統(tǒng)由兩部分組成，即硬件部分與控制硬件的軟件部分。
一、硬件部分本測量表征系統(tǒng)的主要由5個部分組成，它們分別是1)基于傅里葉變換光譜儀并引入雙調(diào)制技術(shù)的激射譜測量系統(tǒng)(包括富利葉變換紅外光譜儀和鎖相放大器等)，2)基于寬范圍脈沖信號發(fā)生器的驅(qū)動系統(tǒng)，3)基于數(shù)字示波器、電流探頭及中紅外探測器的測量監(jiān)控系統(tǒng)，4)基于通用并行接口卡(GPIB)的計算機控制系統(tǒng)，5)熱沉致冷器和溫度控制系統(tǒng)等。整個中紅外半導(dǎo)體激光器測量表征系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框示意如附

圖1所示。
測量時，待測激光器置于致冷器的冷頭上，其驅(qū)動脈沖電流由脈沖信號發(fā)生器供給。激光器的注入電流信號波形由電流探頭取出，用數(shù)字示波器進行測量。驅(qū)動電壓和光功率監(jiān)控探測器上的電壓也由此示波器進行測量。數(shù)字示波器和脈沖信號發(fā)生器均通過GPIB總線由計算機進行控制、測量和數(shù)據(jù)采集處理。本系統(tǒng)的測試臺、熱沉溫度控制以及激光光功率探測器可以根據(jù)不同的激光器要求選用，并根據(jù)不同的測量波段選用不同的FTIR光譜測量探測器、分束器以及光功率監(jiān)控測量探測器以獲得最佳測量效果。其中探測器有Si(≤1.1μm，室溫工作)，InGaAs(≤1.6μm，室溫工作)，Ge(≤1.8μm，室溫工作)，InSb(≤5μm，LN2冷卻)，HgcdI(≤12μm，LN2冷卻)等，分束器有Quartz、CaF2、KBr等。
主要技術(shù)參數(shù)為測量波段0.4-12μm，光譜分辨率0.125cm-1測量光功率范圍nW級至W級驅(qū)動脈沖寬調(diào)節(jié)范圍10ns-150ms驅(qū)動脈沖占空比調(diào)節(jié)范圍0.01％-99.99％電壓電流驅(qū)動能力100V/2A熱沉溫度控制范圍10K-350K(氦壓縮循環(huán)致冷)，0℃-100℃(一級熱電致冷)熱沉控溫精度±0.3K二、軟件部分本發(fā)明采用的編程軟件為CEC公司的TESTPOINT，并采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑S多的操作細節(jié)被封裝在各個對象中。如要控制某臺利用GPIB接口相連的儀器，只要選取一個GPIB對象在這個對象的屬性中的GPIB地址中賦予和給儀器相同的GPIB地址，在通過對該儀器發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的儀器控制命令就可以實現(xiàn)通過計算機對該儀器的控制。整個測量系統(tǒng)均在Windows環(huán)境下進行工作，由菜單式操作完成各項功能，可方便地完成I-P、I-V和光譜測量等。
由上所述，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器特性測量系統(tǒng)相比，本發(fā)明專利具有五大優(yōu)點第一精度高。采用基于直接波形測量技術(shù)的測量方法，由連接數(shù)字示波器的電流測量探頭監(jiān)測注入電流，測量直觀、精度高，速度快。
第二由于采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，而且所有測量儀器與GPIB總線連接，本發(fā)明專利具有安全、快速、數(shù)據(jù)可靠、合理的特點。
第三硬件連接結(jié)構(gòu)簡單，具有友好的操作界面，利于控制、記錄硬件設(shè)置以及處理、輸出測量結(jié)果。
第四該系統(tǒng)除了能對I-V、I-P特性和激射光譜特性能夠進行詳細分析外，還可對諸如驅(qū)動脈沖參數(shù)對器件的輸出功率和熱特性等的影響等進行分析的能力。
第五采用可調(diào)步長，在最大工作電流2A的范圍內(nèi)對器件進行連續(xù)測量，并得到特定溫度下的I-P或I-V曲線。最多可同時獲得8條不同條件下的曲線用以比較。
圖2是利用本測量表征系統(tǒng)測得的2μm波段AlGaAsSb/InGaAsSb多量子阱激光器的I-P特性曲線。圖中橫座標(biāo)為電流(mA)，縱座標(biāo)為單面光功率(mW)。
圖3是利用本測量表征系統(tǒng)測得的2μm波段AlGaAsSb/InGaAsSb多量子阱激光器的射光譜特性曲線，圖中橫座標(biāo)為波長(μm)，縱座標(biāo)為強度(相對單位)。
圖4是利用本測量表征系統(tǒng)測得的8μm波段InAlAs/InGaAs/InP量子級聯(lián)激光器的I-P和I-V特性曲線，圖中橫座標(biāo)為電流(A)，左面縱座標(biāo)為光功率(相對單位)；右面縱座標(biāo)為電壓(V)。
圖5是利用本測量表征系統(tǒng)測得的8μm波段InAlAs/InGaAs/InP量子級聯(lián)激光器的激光譜特征，橫座標(biāo)為波長(μm)，下橫座標(biāo)為波數(shù)(cm-1)縱座標(biāo)為強度(相對單位)。
實施例1 2μm波段AlGaAsSb/InGaAsSb多量子阱激光器的測量1、先將激光器芯片放置于由熱電致冷控溫的微探針測試臺上，并用微探針直接加入驅(qū)動電流(本實施例中激光器為脊波導(dǎo)型，波導(dǎo)寬度2.5μm，腔長700μm)。
2、按系統(tǒng)框圖連接各個硬件設(shè)備。向InSb探測器內(nèi)注入液氮進行冷卻。
3、開啟計算機、數(shù)字示波器、脈沖信號發(fā)生器、FTIR光譜儀、鎖相放大器、熱沉溫度控制儀等設(shè)備的電源。
4、將熱沉溫度調(diào)節(jié)至所需溫度(本實施例中為0-60℃，步進10℃)。
5、在計算機上運行系統(tǒng)控制軟件，對實驗條件進行初始化(即設(shè)置脈寬、周期、數(shù)字示波器的測量參數(shù)等，本實施例中脈寬為1μs，周期為100KHz)。
6、將根據(jù)需要設(shè)置電流上限值(實施例中為500mA)以及合適的脈沖電壓變化范圍、步長等值。
7、點擊程序界面上Start按鈕，預(yù)測激光器電流和經(jīng)校準(zhǔn)的功率監(jiān)控探測器電壓波形，選擇合理的數(shù)據(jù)點。
8、點擊程序界面上Start按鈕，開始正式測量，得到該多量子阱激光器的I-P曲線如圖2。
9、固定驅(qū)動條件(本實施例中驅(qū)動電流為200mA，脈寬為1μs，周期為100KHz)，由FTIR光譜儀測得各條件下的激射光譜如圖3。實施例2 8μm波段InAlAs/InGaAs/InP量子級聯(lián)激光器的測量1、將封裝好的激光器芯片安裝于由氦壓縮循環(huán)致冷器的冷頭上，接好驅(qū)動聯(lián)線，封好外腔抽真空，開始致冷。
2、按系統(tǒng)框圖連接各個硬件設(shè)備。向HgcdI探測器內(nèi)注入液氮進行冷卻。
3、開啟計算機、數(shù)字示波器、脈沖信號發(fā)生器、FTIR光譜儀、鎖相放大器、熱沉溫度控制儀等設(shè)備的電源。
4、將熱沉溫度調(diào)節(jié)至所需溫度(實施例中為20-200K步進30K)。
5、在計算機上運行系統(tǒng)控制軟件，對實驗條件進行初始化(即設(shè)置脈寬、周期、數(shù)字示波器的測量參數(shù)等本實施例中脈寬為100ns，周期為20KHz)。
6、將根據(jù)需要設(shè)置電流上限值(實施例中為1000mA)以及合適的脈沖電壓變化范圍、步長等值。
7、點擊程序界面上Start按鈕，預(yù)測激光器電流和經(jīng)校準(zhǔn)的功率監(jiān)控探測器電壓波形，選擇合理的數(shù)據(jù)點。
8、點擊程序界面上Start按鈕，開始正式測量，得到該多量子阱激光器的I-P和I-V曲線如圖4。
9、固定驅(qū)動條件(本實施例中驅(qū)動電流略高于對應(yīng)溫度下激光器的閾值電流，脈寬為10ns，周期為20KHz)，由FTIR光譜儀測得各條件下的激射光譜如圖5。
權(quán)利要求
1.一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，由硬件部分與控制硬件的軟件部分組成，其特征在于(1)硬件部分由5個部分組成，分別是傅里葉變換光譜儀并引入雙調(diào)制技術(shù)的激射譜測量系統(tǒng)；基于寬范圍脈沖信號發(fā)生器的驅(qū)動系統(tǒng)；基于數(shù)字示波器電流探頭及中紅外探測器的測量監(jiān)控系統(tǒng)；基于通用平行接口卡的計算機控制系統(tǒng)；熱沉致冷器和溫度控制系統(tǒng)；(2)軟件部分的編程軟件為CEC公司的TESTPOINT，并采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞健?br> 2.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于所述的引入雙調(diào)制技術(shù)的激射譜測量系統(tǒng)包括富利葉變換紅外光譜儀和鎖相放大器。
3.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于所述的基于寬范圍脈沖信號發(fā)生器的驅(qū)動系統(tǒng)的脈沖寬調(diào)節(jié)范圍為10ns-100ms，驅(qū)動脈沖占空比調(diào)節(jié)范圍為0.01-99.99％。
4.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段本半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于所述的中紅外探測器或波段≤1.1μm，室溫工作的Si；或波段≤1.6μm，室溫工作的InGaAs；或波段≤1.8μm，室溫工作的Ge，或波段≤5μm，液氮冷卻的InSb；或波段≤波段12μm，液氮冷卻的HgCdI；分束器為石英或CaF2或KBr。
5.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于所述的熱沉致冷器熱沉溫度控制范圍在氦壓縮循環(huán)致冷時為10K-350K；一般熱電致冷為0-100℃；控溫精度±0.3K。
6.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于所述的采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，只要選取一個GPIB對象在這個對象的屬性中的GPIB地址中賦予和給儀器相同的地址，通過對該儀器發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的儀器控制命令實現(xiàn)對該儀器的控制，整個測量系統(tǒng)在Window環(huán)境下工作。
7.按權(quán)利要求1所述的一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量的表征系統(tǒng)，其特征在于測量系統(tǒng)的測量波段范圍0.4～1.2μm，分辯率0.125cm-1，光功率范圍為nW級至W級。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中紅外波段半導(dǎo)體激光器性能測量表征系統(tǒng),屬于半導(dǎo)體測試技術(shù)領(lǐng)域。其特征是該硬件部分由5個部分組成,分別是傅里葉變換光譜儀并引入雙調(diào)制技術(shù)的激射譜測量系統(tǒng);基于寬范圍脈沖信號發(fā)生器的驅(qū)動系統(tǒng);基于數(shù)字示波器電流探頭及中紅外探測器的測量監(jiān)控系統(tǒng);基于通用平行接口卡的計算機控制系統(tǒng);熱沉致冷器和溫度控制系統(tǒng);軟件部分的編程軟件為CEC公司的TESTPOINT,并采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?。除具有測量器件的I－P,I－V特性和激射光譜特性的功能外,還可以寬范圍地改變驅(qū)動脈沖參數(shù)對器件的輸出特性以及熱特性進行測量分析,并可采用可調(diào)步長在寬范圍內(nèi)對器件進行連續(xù)測量。
文檔編號G01J3/28GK1358986SQ0113228
公開日2002年7月17日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
發(fā)明者張永剛, 南礦軍, 李愛珍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所