激光二极管通讯模块生产测试系统详解

----王征宇 吉时利仪器公司北京办事处(wangkevin@keithley.com)

概述：

　　随着互联网的快速普及，Giga级带宽网络通讯的广泛应用以及ATM/Sonet，通用电话制造业等相关通讯产品的不断发展,运用WDM(Wavelength Division Multiplexed)技术的宽带大容量的接入系统正逐渐成为业界的主流发展趋势。使用这种接入系统可以在避免重复安装新的通讯线路的基础上，大大增加现有光纤通讯线路的传输带宽。

　　WDM技术的应用使得将不同波长的光信号通过一路光纤进行传输成为了现实。由于该系统要求体积小，功耗低，因此激光二极管(Laser Diodes)已经成为了该系统中不可或缺的核心元件。在WDM系统中，每隔一段特定的距离，光信号被掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifiers)放大。某些公司，如朗讯科技已将这一技术进一步发展成为具有一个Terabit容量的Dense and Ultra-Dense WDM系统。

　　本质上讲，激光二极管(LD)就是一个在有正向电流激励的条件下的半导体发光器件。其波长从最高1550nm(红外区)到最低750nm(绿光区)，输出功率通常从几个毫瓦到几瓦不等。其工作模式可以是脉冲的(pulse)也可以是持续的(continuous wave)。激光二极管对温度变化极为敏感---几个摄氏度的温度变化可能导致其“模式跳变”(modehopping)或者输出光波长的阶跃。

　　目前，在光通讯系统中大量使用的有两种激光二极管：FP(Fabry-Perot)和DFB(Distributed Feedback)。二者的区别主要表现在输出光特性的不同。FP激光器能够产生包含有若干种离散波长的光，而DFB激光器则发出具有额定波长的光。通常在DFB激光器中有一个反射分选器(reflection gratings)用来消除除了额定波长之外的其它光波。

　　由于WDM技术要求具有多种不同波长的光信号同时进行传输，因此在现今所有的WDM系统中均使用DFB激光器。而FP激光器则大多用于那种一个光纤通路对应一个收发器(transceiver)的系统，如Local Area Networds(LANs),Fiber To The Curb(FTTC)和Fiber To The Home(FTTH)。

　　激光二极管通常要于其它元件共同封装在一个模块里面，这样的模块通常包括一个激光二极管(LD)，一个背光二极管(BD)，用来监控LD的输出光功率，一个温度控制器(TEC)，用来将工作温度保持在25，以及一个用来监测模块温度的热敏电阻(Thermistor)。用吉时

测试简介：

　　如前所述，随着宽带接入技术的发展，激光二极管的需求量正在不断增长。因此，对于当今的激光二极管生产厂商来说，就提出了如下问题：在激光二极管产量和产品本身复杂程度不断增加的情况下，如何保证产品测试设备的高性价比和测试准确度。事实上，由于激光二极管模块的产品附加值随着生产以及组装过程是一个不断增加的过程，比如对一个由于背光二极管(Back facet photo-diode)失效而损坏的完整模块进行维修的费用将远远大于在组装之前对该二极管进行完整电性测试的费用。所以，为了降低测试成本，一个高速灵活(High-speed flexible)的测试解决方案无疑是最佳选择。

　　一个典型的DFB激光二极管模块测试过程通常须完成以下项目的测试：

　　●激光二极管正向电压(Laser diode forward voltage)

　　●拐点测试(Kink test)/线性度测试(Slope efficiency)

　　●门限电流(Threshold current)

　　●背光电流(Back facet current)

　　●光功率(Optical output power)

　　●背光二极管电压降(Back facet voltage drop)

　　●背光二极管暗电流(Back facet dark current)

　　前5个参数的测试是最为普遍的，可以在一个被称作L-I-V扫描的测试过程中得到全部的结果。这种快速而且成本相对较低的直流测试可以在较早的测试程序中鉴别出失效的部件，从而将那些价格高昂的非直流测试设备能够在此后的测试程序中更加有效的发挥其作用。

　　正向电压测试(Forward Voltage Test)

　　正向电压测试用来检验激光二极管(LD)的正向特性。测试过程中，通常要求给被测的激光二极管扫描一个正向电流(IF)，同时测试其正向电压降。某些大功率元件要求扫描2～3A(通常以1mA为步长)电流，而大部分元件所需的扫描电流不超过1A。每一步的扫描时间通常要求控制在几个毫秒左右。电压测试范围典型值为0～10V(分辨率为微伏级)。

　　门限电流测试

　　所谓门限电流指的是激光二极管开始发光时的正向激励电流值。该电流值可通过计算输出光强的二阶微分的最大值得到。图三给出了上述定义的示意图。最上面的一条曲线是给激光二极管扫描正向电流时的光输出特性。中间那条曲线是其一阶微分曲线。最下面的则是其二阶微分曲线图,其中的峰值点给出了门限电流的位置。

　　光强测试

　　光强测试用来检验激光二极管的光输出功率大小，该功率值通常随着激励电流增大而增大，一般用mW或W表示。测试原理通常有交流和直流两种。基于交流原理的测试通常要用到光功率计。而基于直流原理的测试通常采用如下办法：将一个反向偏置的光电二极管(reverse-biased photodiode)放置在被测激光二极管发出光的输出端，然后用微微安表(Picoammeter)或静电计(Electrometer)测试该光电二极管上产生的电流大小，最后通过事先编好的系统软件计算出实际的光功率值。在这个过程中，光电二极管上感生电流的典型值通常为0～3mA，要求最低分辨率100nA。在实际的测试过程中，基于直流原理的测试办法比基于交流原理的测试办法速度快。
　　背光二极管(Back facet monitor diode)测试

　　该项测试用来检测当激光二极管输出光功率增加时，背光二极管(反向偏置)响应情况。其感生电流的典型测量范围是0～100mA，分辨率100nA。测试设备通常采用微微安表(Picoa mmeter)或静电计(Electrometers)。拐点测试 (Kink Test)/线性度测试(Slope Efficiency)

　　该项测试用来检验被测激光二极管的正向激励电流(IF)与该激光二极管输出光功率(L)之间的关系曲线的线性好坏。理论上讲，当激光二极管工作在额定范围内时，L与IF应该是严格线性的关系，这样的话，其一阶微分应该是一条近似水平的直线。如果在一阶微分曲线上出现了明显的拐点(Kink)，或者说该曲线不够平滑，那么我们认为该激光二极管有缺陷。也就是说，当该激光二极管工作在出现拐点的激励电流点时，其输出光功率与激励电流值必不成线性比例关系。同时，L vs. IF曲线的二阶微分的最大值即为该被测激光二极管的门限电流值。

测试要求：

　　●吞吐量(Throughput)棗-吞吐量受L-I-V扫描点数的影响，而一个完整的扫描过程的耗时通常在10秒钟左右，因此，如果能把整个扫描时间减少几秒钟，那么对于激光二极管的生产厂商来说无疑意味着巨大的收益。比如著名的朗讯科技在测试激光二极管时使利仪器公司的测试设备做100点的L-I-V扫描测试时，测试VF，IF，IBD和L，耗时10～15秒。

　 ●分辨率/灵敏度(Reso lution /Sensitivity)---扫描开始时的正向电压测试和背光二极管暗电流(Dark current)测试均属于小信号测试(Low level measu rement)。其电流电压测试的最低分辨率要求分别在nA级和mV级。吉时利仪器公司提供的测试方案中可以覆盖该项指标。

　 ●动态范围/灵活性(Dyn amic Range of Operations/Flexi bility)---在实际的测试工作中，由于LD模块本身结构势必随着使用者的要求不同，因此要求相应的测试设备必须具有宽的动态范围和大的灵活性，以适应不同规格的产品和不同的封装形式。吉时利仪器公司所拥有的7000系列程控开关技术最大限度的满足了该项要求。

　 ●大电流输入输出能力(High Current Capability)---随着网络规模的不断扩大，LD模块的功率也不断增加，以使光通讯线路中放大装置两两之间的距离能够加长。这种相对新的、大功率的器件要求测试设备具有3A的输入输出能力。吉时利仪器公司的2420型数字源表是其2400系列产品中的大电流型号，具有3A的输入输出能力，这使得用户可以在保持原有测试平台基本不变的前提下，实现大电流测试功能，从而大大降低了用户的测试成本。

　　温度稳定性(Temperature Stability)---LD的输出光信号的光强和波长对环境温度的变化极端敏感，因此，实际温度相对于设定温度点的稳定性对于测试数据的好坏就有了决定性的影响。吉时利仪器公司的最新产品2510 TEC 控温仪专为这一领域的应用设计，具有0.001℃的分辨率和±0.005℃的稳定度，代表了目前市场上该项指标的领先水平。

　　低噪声(Low Test System Noise)--上述的拐点测试(Kink Test)对系统噪声的要求将非常严格。如果测试系统的噪声过高，则用户在做进一步分析之前将不得不对其一阶倒数曲线做平滑处理(Smoothing)。由于吉时利仪器公司产品一贯具有的低噪声特性，使用户在使用该公司提供的测试系统时无须做平滑处理，从而提高了效率。

　　可靠性及技术服务(Relia bility/Local Support)--测试设备的任何故障都有可能导致整个生产线停止运转。因此，对于用户来讲，选择一个在产品可靠性方面有着良好声誉的供应商无疑是极为关键的。同时，供应商能否提供及时、快捷、完整的售前售后技术服务，就显得十分重要了。吉时利仪器公司产品的高质量在国际上有着极高的声誉，而吉时利仪器公司北京办事处强大的技术支持能力使得国内用户能够对本地的技术服务充满信心。

典型测试系统配置：

　　该系统由以下设备组成：2400源表一台，6517A静电计两台，以及一台配备一块GPIB接口卡的计算机。(若待测的LD模块要求激励电流大于1A而小于3A，用户可用2420替换2400组成测试系统)其中，2400(或2420)用来给LD扫描一个激励电流，并通过触发装置(Trigger Link Cable and Trigger Link Adapter box)实现与6517A的同步。计算机通过GPIB总线对仪器进行编程，并对采集到的数据进行分析计算。

　　系统中每台设备均内置一个数据存储器，系统可先将测试结果存储在内置的存储器中，再加上上述的触发装置(Trigger Link)，系统就可以实现脱离计算机和GPIB总线独立进行L-I-V扫描测试，从而使得系统的测试速度保持在硬件触发的水平，而不是相对较慢的软件触发。当整个测试完成以后，存储器中的数据可以通过GPIB总线读取进计算机并进行后续的分析处理。

系统设备清单：

基本配置：

　　●2400/2420型数字源表；(提供激光二极管的正向偏置)

　　●6517A型静电计；(测量输出光功率)

　　●6517A型静电计；(测量BFMD) ●3根GPIB电缆；

　　●GPIB接口卡一块；

　　●8502型触发适配器；

　　●8503型DIN-to-BNC触发电缆两根；

　　●8501-1触发线图六 激光二极管L-I-V扫描测试扩展系统配置图扩展配置：

　　●用来给Modulator加偏置的2400源表；

　　●一台用来测量电压或电阻的2000型数字万用表；

　　●7002型开关控制器；

　　●7053型大电流开关卡；

　　●7012型4X10矩阵式开关卡；

　　●2361型触发控制器；

　　●2510型TEC 温控仪

　　当然，一部配置相当的台式计算机或工控机和一套测试软件也是必不可少的。

　　注意：对某些光电二极管来说，用户可以用2400替代6517A进行电流测试。

　　测试过程：

　　1.将待测的LD模块安放在测试夹具中，然后通过计算机对系统进行初始化；

　　2.计算机对LD 激光器(Laser)，LD 背光管(BFMD)和外置的光电二极管(external PD)所加偏置进行配置；

　　3.打开仪器的输出，同时令6517A进入待机状态；

　　4.2400开始触发，扫描开始；

　　5.在2400以10mA为步长给激光器扫描一个从0到1A的正向电流时，通过系统内部的硬件触发装置，当每一步的扫描电流稳定后，2400会自动给6517A发出一个触发信号。然后2400将该步的激励电流值和测得的正向电压值存入存储器中；

　　6.6517A接到2400发过来的触发，测量BFMD和PD上流过的电流，完成后自动给2400一个触发信号，并将测量结果存入存储器中；

　　7.2400接到6517A发出的触发信号后自动将扫描电流值增加至下一个步长；

　　8.同样的触发过程不断重复进行，直至完成整个扫描过程；

　　9.当整个扫描完成后，2400给主控计算机发出一个测试结束的触发信号(EOT)，计算机在接到该信号后关断仪器的输出，并从仪器的存储器中读取测量结果，然后进行后续的处理。