半导体激光器测试专家—Nanofoot

半导体激光器测试专家—Nanofoot
顶尖科仪（中国）股份有限公司
发布日期：2011-3-24

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器.在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100W以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。由于高功率半导体的应用越来越多的被发掘，高功率半导体激光器的品质已经成为大家越来越关心的问题。
Nanofoot公司的半导体激光测试设备是半导体激光器性能检测的利器，也成为半导体激光器研发和生产过程中的关键环节。他们自身在开发类似设备上的丰富经验让他们的产品更方便，更可靠，且集成多种功能，几乎能测量半导体激光器的所有参数和封装性能，如LIV曲线，远场特性，光谱分析，smile效应，温度特性，Visual inspection（近场特性）等。
LIV曲线包含光强，电压，斜效率等特征参数，是表征半导体激光器在不同工作条件下的变化趋势，用于考察半导体的电光转换效率和性能稳定性。


LIV反映的是时域变化，而光谱图反映的是频域特性。它包括出射的波长与温度的对应关系，相对强度和线宽等信息。


无论是作为泵浦源还是直接作用于工作物质，功率与波长都是半导体激光器最重要的两个参数指标。Nanofoot的LDC5000集成了单发光点半导体重要参数的检测手段，把烦琐的的参数设置，交给系统自动完成，操作，并最终获得不同温度，不同电流下的各种参数曲线。此外，Nanofoot半导体检测设备高度集成化的优点，使其应用更灵活，例如，FF360可作为独立检测单元可专门用来检测单发光点的远场特性，也可集成到LDC5000等多功能系统中。
    远场特性反映的是远场光斑的横向强度分布。FF360用高速扫描的方式获得半导体激光的强度信息。扫描角度分辨率最高可达到0.03°，扫描速度可达每秒300°或者700个采样点。


以上是扫描获得的远场二维图象，此外，FF360还可获取三维视图，使信息更直观。


强大的软件系统，界面简洁却功能强大，易于操作而内容丰富，可输出多种格式（CSV, PDF, PNG, PS, XML）。
相对于单发光点半导体来说，多发光点的巴条的结构更复杂，因此，性能分析也更复杂。如果要快速检测wafer或巴条性能，以判断其合格与否，LPT1000是不错的选择。该款检测设备能够快速检测各发光点，且性价比很高，是芯片生长控制的有效手段。
而对于封装后的检测，除了LIV，光谱，远场分布以及温度特性外，smile效应和外观检查（visual inspection）也是非常重要的问题。
Smile效应是由巴条本身热膨胀系数失配合封装过程中巴条和热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点不在一条直线上，从而导致LDA（半导体激光阵列）整体发光弯曲，称之为smile效应或者各发射腔近场非线性效应。



Smile效应给阵列半导体激光器光束耦合和光束整形带来了巨大的挑战，它已成为限制半导体激光器阵列增大的最主要的障碍。如果阵列激光器近场线性很差， 将使阵列半导体激光器的光纤耦合效率降低。Smile效应增加了快轴准直镜的离轴象差，通常5微米的smile效应能使光束质量下降一倍，因此，严重影响半导体激光器光束传播，聚焦，整形，给体全息光栅稳频技术这种对smile效应比较敏感的应用带来不利影响。


Smile值的定义是弯曲最高点和最低点的差。但是，该值只能定量的反映巴条smile效应的整理效果，而不能将该效应影响具体到单个发光点。实际上，热应力的产生原因有两个：一是由芯片结构决定，每个发光单元的接触电阻不同，引起电流分布不均匀，导致温度分布不均匀；二是要由封装工艺决定，贴片层中出现的空洞导热性很差，易引起温度分布不均。因此，各发光点受热效应影响是不尽相同的。
LBC8000获得的smile效应是以曲线图的方式给出具体单点的形变。这对于旨在减小smile的封装工艺研究是非常重要的。



减小smile效应的方法有两个：一是利用光学系统矫正。例如，利用快轴准直镜与棱镜阵列组合矫正smile。但系统加工较困难，成本高，而且该方法治标不治本，无法从根本上减小smile效应。因此，通常，减小smile应该在封装工艺上入手，从根本上减小巴条与热沉之间的应力。巴条与热沉材料之间产生的应力能够拉伤巴条，在有源区引入错位或缺陷，劣化激光器的光电特性，使器件寿命减少，如果应力进一步加大，甚至会使巴条断裂，造成激光器失效。因此，应从封装工艺入手，从根本上减小热应力，把smile效应控制到最低。例如目前在封装工艺中采用无铟化技术，虽然工艺难度较大，但因其具有储存时间长、耐高温、性能稳定等优点，极大地提高了器件的可靠性，仍然是目前减小smile效应,提高热稳定性的最佳手段。
对于巴条封装后的热稳定性，overhang也是需要考虑的问题。Overhang过长，容易导致散热性，降低稳定性，甚至引起灾变损伤（CMOD）。LBC8000的外观检查（visual inspection）除了overhang之外，还有近场发光点表面缺陷的检查等功能。




可以说LBC8000集LIV，光谱，远场，smile效应，visual inspection功能于一身，适合高功率半导体激光列阵封装工艺的研究。除了丰富的功能，LBC8000针对不同的检测对象（CS封装，微通道，裸巴等）还专业化的设计准备了不同的夹具。


半导体激光器的品质如何，不光体现在参数指标上，还在于其是否能够长期稳定的工作，进口的半导体激光器如JOLD的产品，寿命一般都在一万小时以上。寿命指标不象参数指标那么直观，很不容易直接获得结果，因此，半导体激光器的老化测试设备LFT-BurnIn就显得更有价值了。通常的老化方法是在一定电流下观察激光器的输出功率变化，或在一定的输出功率下观察所需要的驱动电流的增长。通常将输出功率降到初始值一般或驱动电流上升到初始值的1.5倍时，认为激光器失效。为了加速器件的老化，可增加温度，加大电流。由于半导体激光器的寿命 与结温的关系服从Arrhenius关系：

其中， 为激活能， 为玻尔兹曼常数， 为结温，根据高温（70°～80°）下的工作寿命，即可计算出正常工作条件下的寿命。



LFT-BurnIn内置可移动积分球，并为待测激光器配有冷却水。通过电脑软件对激光器的电压电流进行控制，并对激光器的温度进行监控。单个激光器最高可达到100W，最多可同时测量50个样品。此外，该设备最大的亮点是任何时候都可以暂停，并重新开始老化进程。
Nanofoot半导体激光测试设备的灵活性还体现在可以根据客户的需求进行定制。



上图是厂家根据客户需求定制的标志性产品，每秒钟可检测1000个发光点，既可用于检测未封装的芯片或者巴条，又能检测封装好的半导体激光器，全自动作业，能实现自动分拣标记样品。
Nanofoot半导体激光检测设备集成方面的专业性使其产品能够适应更多的需求。作为第三方检测设备，他们提升的不光是自身的品质，也是提高半导体激光生产商的品质，得到半导体激光器生产厂家和使用者的认可。


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