Устройство для измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода Российский патент 2023 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано для оценки степени деградации полупроводниковых лазеров в процессе эксплуатации.

Известно устройство, содержащее источник питания, вольтметр, рабочий полупроводниковый лазерный диод (см. Петухова А.Ю, Перминов А.В., Гаранин А.И. Испытание на ускоренное старение лазерных диодов // Прикладная фотоника. 2021. - №1. - стр. 42-50. chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj /http://www.applied.photonics.pstu.ru/_res/fs/4513file.pdf).

Известно устройство, содержащее регулируемый источник тока, рабочий полупроводниковый лазерный диод (см. Грамаков А.А., Фефелов А.П., Чернышев А.В. Высокоэффективные источники накачки для импульсных полупроводниковых лазерных линеек // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2012, №4 апрель. С. 1-8. http://technomag.edu.ru/doc/373951.html).

Недостатком известных устройств является влияние начальной температуры на измерение приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода. Для устранения этого влияния необходимо проводить измерения в термостате, что усложняет измерение приращения тока в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по назначению к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство (см. ГОСТ Р 51106-97. Лазеры инжекционные, излучатели, решетки лазерных диодов, диоды лазерные. Методы измерения параметров. ИПК Издательство стандартов. 1988. Рис. 2, стр. 3), содержащее первый источник тока, рабочий полупроводниковый лазерный диод, первый миллиамперметр, измеритель-приставку, и принятое за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является наличие погрешности при измерении тока накачки, связанной с отсутствием учета влияния температуры окружающей среды на напряжение p-n перехода лазерного диода.

Технический результат - уменьшение погрешности измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода, содержащее первый источник тока, рабочий полупроводниковый лазерный диод, первый миллиамперметр, измеритель-приставку, отличие заключается в том, что в него дополнительно введены первая и вторая клеммы, перемычка, второй источник тока, второй миллиамперметр, контрольный полупроводниковый лазерный диод, дифференциальный усилитель, первый вольтметр, второй вольтметр, третий вольтметр и персональный компьютер так, что в режиме измерения тока накачки первая клемма соединена с выходом первого источника тока и с входом первого миллиамперметра, выход которого соединен со второй клеммой, анодом рабочего полупроводникового лазерного диода, измерительным входом первого вольтметра и с первым входом дифференциального усилителя, а выход второго источника тока соединен с входом второго миллиамперметра, выход которого соединен с анодом контрольного полупроводникового лазерного диода, с вторым входом дифференциального усилителя и с измерительным входом третьего вольтметра, и катоды диодов соединены с общим проводом, а выход дифференциального усилителя соединен с измерительным входом второго вольтметра, и информационные выходы первого, второго и третьего вольтметров, первого и второго миллиамперметров соединены со входами измеритель-приставки соответственно, и выход измеритель-приставки соединен с входом персонального компьютера, причем условия теплоотвода от контрольного полупроводникового лазерного диода идентичны условиям теплоотвода от рабочего полупроводникового лазерного диода, а перемычка замыкает клеммы в рабочем режиме изделия.

Сущность изобретения заключается в следующем. Полупроводниковые лазерные диоды работают в условиях повышенных температур, ускоряющие развитие деградаций. Причем, температура в мощных лазерных диодах повышается как за счет активной греющей мощности, так и за счет воздействия собственного лазерного излучения на материал диода (см. Гаркавенко А.С. и др. Роль дислокаций в процессе деградации полупроводниковых лазеров с электронным накачиванием энергии. Экспериментальное исследование // Наука и техника. 2020. Т. 19, №6. С. 507-511; https://sat.bntu.by/jour/article/view/2386). Для прогнозирования срока службы проводят ускоренные испытание на старение полупроводниковых лазерных диодов при повышенных температурах и токах накачки. В качестве информативного параметра используют ток накачки (см. Петухова А.Ю. и др. Испытание на ускоренное старение лазерных диодов // Прикладная фотоника. 2021. Т. 8, №1. С. 42-50), оптическую мощность, частоту генерации лазера и др. (Тарасов А.Е. Оптико-электронный комплекс, обеспечивающий прогнозирование срока службы торцевых лазерных диодов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2021/tarasov/dissertaciya_tarasov.pdf).

Большая часть производимых лазерных диодов устанавливается в изделия без прохождения испытаний на ускоренное старение. Поэтому в заявленном изобретении предлагается контролировать информативный параметр в процессе эксплуатации. Наиболее доступным информативным параметром является ток накачки. В предложенном изобретении измерение тока накачки осуществляют методом сравнения относительно контрольного полупроводникового лазерного диода, который не задействован в качестве рабочего лазера в течение времени эксплуатации изделия. Он не подвергается воздействию как греющей потребляемой мощности, так и при нагреве собственным лазерным излучением. При этом электрические параметры и теплоотвод контрольного лазерного диода идентичны рабочему. Конструктивно устройство может быть в выполнено составе действующего рабочего изделия, так и автономно при наличии доступа к электрическому присоединению к аноду рабочего лазерного диода без внесения изменений в схему накачки. Источник тока испытуемого и контрольного лазерного диода должен иметь при этом возможность регулирования тока нагрузки в небольших пределах.

На фигуре представлена структурная схема устройства.

Устройство для измерения тока накачки полупроводникового лазерного диода содержит первый источник тока 1 положительной полярности, второй источника тока 2 положительной полярности, первый миллиамперметр 3, второй миллиамперметр 4, рабочий полупроводниковый лазерный диод 5 (далее - рабочий лазер), контрольный полупроводниковый лазерный диод 6 (далее -контрольный лазер), дифференциальный усилитель 7, первый вольтметр 8, второй вольтметр 9, третий вольтметр 10, измерительную приставку 11, персональный компьютер 12, перемычку 13, первую и вторую клеммы 14.

Устройство работает следующим образом. Измерение изменения тока накачки проводят периодически. Длительность периода между измерениями определяется количеством наработанных часов и условиями эксплуатации.

В исходном рабочем состоянии перемычка 13 замыкает клеммы 14. Первый миллиамперметр 3 не подключен.

Первое измерение проводят перед началом эксплуатации нового изделия. Для этого при отключенном питании изделия перемычку 13 снимают, выход первого источников тока 1 соединяют с первой клеммой 14 и с входом первого миллиамперметра 3, а вторую клемму соединяют с выходом миллиамперметра 3, с анодом рабочего лазера 5, с первым входом дифференциального усилителя 7 и с измерительным входом первого вольтметра 8. Миллиамперметр может представлять собой преобразователь постоянного тока в постоянное напряжение.

Включают изделие. На первом источнике тока 1 устанавливают фиксированный рабочий ток I_р. С информационных выходов первого 3 и второго 4 миллиамперметров подают измеренный сигнал на входы измерительной приставки 11, выход которой соединен с персональным компьютером 12, например, USB портом. Заносят в таблицу ток потребления I_р. Измеряют первым вольтметром 8 напряжение на рабочем лазере U_p1 и подают его величину на вход измерительной приставки 11 и далее в персональный компьютер 12. Заносят в таблицу измеренное значение U_p1. Измеряют третьим вольтметром 10 напряжение на контрольном лазере U_к1 и подают его величину на вход измерительной приставки 11 и далее в персональный компьютер 12. Регулировкой второго источника тока 2 добиваются равенства напряжений Заносят полученный ток I_к со второго миллиамперметра 4 через измерительную приставку 11 в таблицу персонального компьютера 12.

Представим напряжение на лазерах в виде:

где: - напряжение на рабочем и контрольном лазерах при условной выбранной температуре Т₀; TКU [мВ/град] - температурный коэффициент напряжения на p-n переходе лазера. Значение TКU для различных лазеров одного типа одинаково и постоянно; ΔT₁ - приращение температуры; Т_н1 - начальная температура рабочего и контрольного лазеров. Видно, что вторые слагаемые суммы в выражениях (1) и (2) зависят только от изменения ΔT температуры и равны между собой, так контрольный и рабочий лазеры нагреваются до одной и той же температуры и имеют одинаковый TКU.

После завершения измерений изделия его вводят в эксплуатацию, восстанавливают цепь питания рабочего лазера и в дальнейшем изделие работает по назначению. При этом первый миллиамперметр 3, первый вольтметр 8, первый вход дифференциального усилителя 7 отсоединяют от клемм 14 и клеммы замыкают перемычкой 13. Все это время контрольный лазер 6 хранится отдельно от изделия в нормальных условиях при комнатной температуре.

По истечении заданного количества наработанных часов рабочего лазера в составе изделия повторяют выше перечисленные соединения и измерения. Подстраивают источники тока и устанавливают через диоды фиксированные токи потребления I_р для рабочего лазерного диода и I_к для контрольного лазера. В общем случае начальная температура Т_н2 будет отличаться от температуры, при которой проводились первые измерения Напряжение на лазерах будет иметь вид:

где ΔU_дег - приращение напряжения на рабочем лазере 5, вызванное деградационными процессами. Деградационных процессов в контрольном лазере 6 не могло быть. Пренебрежем процессами старения контрольного лазера в условиях хранения, так как интервал между первым и последующими измерениями небольшой и может составить 0,5-1 год. В общем случае напряжение и

Напряжения U_p2 с рабочего лазерного диода и U_к2 с контрольного лазерного диода подаются на первый и второй вход дифференциального усилителя 7. На выходе дифференциального усилителя напряжение разностного сигнала измеряется вольтметром 9 и будет равно К⋅ΔU_дег, где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя 7. Видно, что на измеренное значение не оказывает влияние начальная температура, температурный коэффициент напряжения TКU на p-n переходе, что снижает погрешность измерения и освобождает от необходимости определения TКU. Через измерительную приставку 11 показание вольтметра 9 записывается в таблицу персонального компьютера 12. На персональном компьютере вычисляется приращении сопротивления рабочего лазера 5 Далее определяется приращение тока накачки рабочего лазера

Если величин отклонения приращения тока накачки превышает установленную величину, то рабочий лазер необходимо заменить. Допустимое изменение тока накачки устанавливают на уровне 10-20%.

Таким образом, достигнут технический результат - уменьшение погрешности измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода в процессе эксплуатации.

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано для оценки степени деградации полупроводниковых лазеров в процессе эксплуатации. Технический результат - уменьшение погрешности измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода. Устройство для измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода содержит два источника тока, два миллиамперметра, три вольтметра, две клеммы, измеритель-приставку, контрольный полупроводниковый лазерный диод, дифференциальный усилитель. В режиме измерения тока накачки первая клемма соединена с выходом первого источника тока и с входом первого миллиамперметра, выход которого соединен со второй клеммой, анодом рабочего полупроводникового лазерного диода, измерительным входом первого вольтметра и с первым входом дифференциального усилителя. Выход второго источника тока соединен с входом второго миллиамперметра, выход которого соединен с анодом контрольного полупроводникового лазерного диода, со вторым входом дифференциального усилителя и с измерительным входом третьего вольтметра. Катоды диодов соединены с общим проводом. Выход дифференциального усилителя соединен с измерительным входом второго вольтметра. Информационные выходы вольтметров и миллиамперметров соединены с входами измерителя-приставки соответственно. Выход измерителя-приставки соединен с входом персонального компьютера. Условия теплоотвода от контрольного полупроводникового лазерного диода идентичны условиям теплоотвода от рабочего полупроводникового лазерного диода. Перемычка замыкает клеммы в рабочем режиме изделия. 1 ил.

Устройство для измерения приращения тока накачки полупроводникового лазерного диода, содержащее первый источник тока, первый миллиамперметр, измеритель-приставку, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первая и вторая клеммы, перемычка, второй источник тока, второй миллиамперметр, контрольный полупроводниковый лазерный диод, дифференциальный усилитель, первый вольтметр, второй вольтметр, третий вольтметр персональный компьютер так, что в режиме измерения тока накачки первая клемма соединена с выходом первого источника тока и с входом первого миллиамперметра, выход которого соединен со второй клеммой, анодом рабочего полупроводникового лазерного диода, измерительным входом первого вольтметра и с первым входом дифференциального усилителя, а выход второго источника тока соединен с входом второго миллиамперметра, выход которого соединен с анодом контрольного полупроводникового лазерного диода, со вторым входом дифференциального усилителя и с измерительным входом третьего вольтметра, катоды диодов соединены с общим проводом, а выход дифференциального усилителя соединен с измерительным входом второго вольтметра, информационные выходы первого, второго и третьего вольтметров, первого и второго миллиамперметров соединены с входами измерителя-приставки соответственно, выход измерителя-приставки соединен с входом персонального компьютера, причем условия теплоотвода от контрольного полупроводникового лазерного диода идентичны условиям теплоотвода от рабочего полупроводникового лазерного диода, а перемычка замыкает клеммы в рабочем режиме изделия.