半导体激光器测试
半导体激光器测试
引言
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。
并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。
为保证其性能稳定和可靠性，必须进行一系列测试和评估工作。因此，本文介绍RIGOL提供半导体激光器的相关测试，主要测试半导体激光器的调制带宽的指标。
半导体激光器测试
半导体激光器具有出色的时间和空间相干性，类似于无线电波，易于调制，频率高，传输信息容量大。激光束发散角小，光能高度集中，可传输远距离，保密性好，为光信息传递提供理想光源。生产和研发期间需要对产品的调制带宽进行定量测试，调制方式分为直接和间接两种。
直接调制简单且成本低廉，在通信和传输系统中广泛应用，但调制性能有限。间接调制调制带宽大，适用于高速调制和高质量信号传输，但成本较高且可能受到光学元件限制。选择合适的调制方式需综合考虑具体应用的要求。
图2.1半导体激光器
测试挑战
由于要测试激光器的范围，外部调制需要提供一个**10GHz且可调节频率和幅值的测试信号，需要找到合适的信号源。
激光器输出的被调制光拥有较高的频率范围，需要提供一个高速率且稳定采样的采集设备来观察输出光的信息。
解决方案
如图4.1所示，我们把欲传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器，由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由于激光起到“携带”信息的作用，所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信号。
被调制的激光称为已调波或调制光。总的来说，将光和欲传递信息的电信号输入到半导体激光器中，激光器会生成一个携带信息的调制光，测试时需要提供一个标准的信息来当作激光器的调制信号，并把输出的光转化成电信号，再通过仪器进行测量，间接观察调制光的质量。
图4.1半导体激光器测试系统
射频源能够提供稳定的调制信号，在测试调制带宽时拥有足够的频率范围，且能够进行模拟调制和数字调制来传递信息，这里推荐RIGOL DSG3000B系列高带宽射频源。最高支持13.6GHz频率的输出，可以适配80%的激光器调制带宽测试。
图4.2DSG3000B射频源
图4.3DS80000系列数字示波器
高速示波器能够采集测量高速的光电信号，且能实时观察波形的波动和幅值，比较适合调制光信号转化出的电信号的采集，这里推荐RIGOL DS80000系列高速示波器。DS80000系列数字示波器最高支持每通道13GHz带宽，能够满足激光器13GHz以下的测量，同时支持40GSa/s，根据奈奎斯特采样定律，采样率大于被测波形的两倍就可以恢复信号，所以
DS80000可以采集周期50ps以上的信号。除硬件外示波器还具备REF参考波形功能，可以保留十个采集到的信号供参考，可有效进行不同频率和功率的分析。
图4.4测试系统连线图
在测试时，激光接收不同的调制信号，输出对应的波形，我们可以通过示波器测量的电压值对比射频源提供出的信号得出半导体激光器的调制带宽范围以及频率响应效果。由于示波器通常只能测量一段信号，测试激光器时通常需要多个波形的观察，对此问题可以打开REF功能进行对比，如图4.5所示。示波器自带波形的测量以及内置的频率计和电压表，通过多次即可得到半导体激光器的相关参数。
图4.5REF功能测量五段8GHz被调制信号
测试激光器的输出不仅可以通过示波器，也可以通过频谱仪和功率计实现，相比之下都会存在一些缺点。频谱仪虽然拥有较高的频率范围，同等带宽下相比示波器也会更经济些，但是市面上的频谱仪由于原理不同通常只能拥有一个测量通道，且实时性相对较差，即使增加自动化程序，测试周期也会比较长。
功率计一般精度非常高，但是频率范围相对较低，只适用低频的激光器。除此之外，该方案用到的两种仪器都支持编程控制，在研发过程中，我们可以通过手动设置来测量激光器的参数，在生产中便可通过自动化程序实现自动的发射与测量，节省人力与时间的成本。
总结
RIGOL提供的激光测试方案拥有高精度的测量，低的成本，目前已经在多家激光客户中研发测试，半导体激光器由于拥有极好的物理特性，除通信外还可用在医疗或者激光等行业，因此半导体激光器正在不断发展，未来会有更高的带宽，RIGOL会提供不断发展的测试方法与仪器，未来能够提供更优质便捷的测试方案。
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