GBT 15651.4-2017 半導體器件 分立器件 第5-4部分：光電子器件 半導體激光器

ICS31.260GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006半導體器件分立器件(IEC60747-5-4:2006,IDT)中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006 Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 23.1物理概念 23.2器件類型——半導體激光器(激光二極管) 23.3一般術語 23.4與額定值和特性有關的術語 34基本額定值和特性 74.1類型 74.2半導體 74.3外形與封裝細節(jié) 74.4極限值(絕對最大額定值) 74.5光電特性 84.6補充資料——溫度對波長的影響 95測試方法 5.1功率測試 5.2輸出功率穩(wěn)定性 5.3時域分布 5.5激光束的光學特性 附錄A(資料性附錄)空間分布和光譜特性相關術語及定義參照表 附錄B(資料性附錄)空間分布和光譜特性相關測試方法參照表 附錄C(資料性附錄)功率測試和壽命相關術語、定義及測試方法參照表 圖1帶端口無透鏡器件 3圖2開關時間 4圖3激光二極管的閾值電流 5 圖6典型脈沖響應圖 IⅡGB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006 圖9指定平面和機械參考面的關系 圖11D?2和D?/e2的測量裝置 8ⅢGB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006GB/T15651《半導體器件分立器件和集成電路第5部分：光電子器件》由以下部分組成：——第5-3部分：光電子器件測試方法； 本部分為GB/T15651的第5-4部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本部分使用翻譯法等同采用IEC60747-5-4:2006《半導體器件分立器件第5-4部分：光電子器件——GB/T13863—2011激光輻射功率和功率不穩(wěn)定度測試方法(ISO11554:2006,MOD);——GB/T15313—2008激光術語(ISO11145:2006,MOD);半導體器件和集成電路第1部分總則(IEC747-1:1983,IDT);——GB/T26599.1—2011激光和激光相關設備激光光束寬度、發(fā)散角和光束傳輸比的試驗方法第1部分：無象散和簡單象散光束(ISO11146-1:2005,IDT);——在第2章規(guī)范性引用文件中，增加了“IEC60747-1”;——圖1中接收角或束散角α對應為全角； 本部分由全國半導體器件標準化技術委員會(SAC/TC78)歸口。1GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006半導體器件分立器件半導體激光器IEC60747-1半導體器件分立器件和集成電路第1部分：總則(Semiconductordevices—Dis-cretedevicesandintegratedcircuits—Part1:General)IEC62007-1光纖光學系統(tǒng)用半導體光電器件第1部分：基本額定值和特性(Semiconductordevicesforfibreopticsystemapplications—Part2:Measuringmethods)ISO11145光學和光學儀器激光和激光相關設備術語和符號(OpticsandopticalISO11146-1激光和激光相關設備激光光束寬度、發(fā)散角和光束傳輸比的試驗測試方法第1部分：無像散和簡單像散光束(Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part1:Stigmatic-andsimpleastigmaticbeams)ISO11146-2激光和激光相關設備激光光束寬度、束散角和光束傳輸比的測試方法第2部分：廣義像散光束(Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,ISO11146-3激光和激光相關設備激光光束寬度、束散角和光束傳輸比的測試方法第3部分：本征和幾何的激光束分類，傳輸和測試方法的細節(jié)(Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part3:Intrinsicandgeometricallaserbeamclassification,propagationanddetailsoftestmethods)ISO11554光學和光學儀器激光和激光相關設備激光束功率、能量和時間特性測試方法(Opticsandopticalinstruments—Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeampower,energyandtemporalcharacteristics)ISO13694光學和光學器件激光和激光相關設備激光束功率(能量)密度分布測試方法2GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006[Opticsandopticalinstruments—Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeampower(energy)densitydistribution]ISO13695光學和光子學激光和激光相關設備激光光譜特性測試方法(Opticsandphoton-ics—Laserandlaser-relatedequipment—Testmethodsforthespectralcharacteristicsoflasers)ISO17526光學和光學器件激光和激光相關設備激光器壽命(Opticsandopticalinstru-ments—Lasersandlaser-relatedequipment—Lifetimeoflasers)。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1物理概念b)光學輻射(IEV845-01-02);c)可見輻射(IEV845-01-03);d)紅外輻射(IEV845-01-04);f)光(IEV845-01-06,與注解2無關):——可感知光(IEV845-02-17);3.2器件類型——半導體激光器(激光二極管)當半導體二極管激勵電流超過閾值電流時，自由電子與空穴復合引起受激發(fā)射，能夠產(chǎn)生相干光輻射的器件。3.3一般術語3.3.13.3.2用于描述發(fā)射器件的光學輻射的幾何結構，以器件表面或外部某一平面為參考。3示例：參考：封裝外形a——接收角或發(fā)射角；參考——定義光學端口參考位置。注：3.4.1.1～3.4.1.6中給定的下限和上限值通常為穩(wěn)態(tài)最大值的10%和90%(見圖2)。注：當前版本的ISO11554沒有關于下降時間的定義，在包含其定義的完整版ISO11554頒布之前，暫時參考圖2的描述。開通延遲時間turn-ondelaytimeta(on)4規(guī)定外為穩(wěn)態(tài)最大值的90%)之間的時間間隔。關斷延遲時間turn-offdelaytime在電輸入信號降到一個指定水平(除另有規(guī)定外為90%)和光輸出信號降到一個指定水平(除另有規(guī)定外為穩(wěn)態(tài)最大值的90%)之間的時間間隔。關斷時間turn-offtimetorr在電輸入信號降到一個指定水平(除另有規(guī)定外為90%)和光輸出信號降到一個指定水平(除另有規(guī)定外為穩(wěn)態(tài)最大值的10%)之間的時間間隔。to=td(om)+t輸入電信號輸入電信號規(guī)定值上限電輸入信號波形規(guī)定值下限光輸出功率規(guī)定值上限光輸出信號波形規(guī)定值下限ta(on)tt注：除另有規(guī)定外下限值和上限值分別為10%和90%。P5GB/T15651.4—20微分效率differentialoutput(radηd小信號調制輸出功率效率：注2:與“小信號調制效率”同義。注3:微分輸出功率量子效率=7aq/hv。q——電子電荷；v——-光頻率；h=6.62×10-34Js(普朗克常數(shù))。閾值電流可由以下兩種方法得出：b)外推閾值電流受激輻射和自發(fā)輻射兩段曲線的切線交叉點對應的正向電流IF值[見圖3b]]。a)激光二極管微分閾值電流b)激光二極管外推閾值電流6噪聲特性(半導體激光器)noisecharacteristics(ofasemiconductorlaser)相對強度噪聲relativeintensitynoise載噪比carrier-to-noiseratio下列二者的商：——規(guī)定頻率下均方輻射功率，除以——以載波頻率為中心，歸一化到單位帶寬的均方輻射功率波動。fe激光束的光學特性opticalcharacteristicsofthelaserbeam空間分布spatialprofile光譜特性spectralcharacteristics半強度角half-intensityangle在輻射圖中，輻射強度大于或等于最大強度一半所對應的角度。在輻射圖中，輻射強度大于或等于最大強度的1/e2所對應的角度。半強度寬度half-intensitywidthD?/2在沿著光束傳播方向指定位置z處，功率密度大于或等于光束最大功率密度一半時所對應的光束全寬寬度。1/e2強度寬度1/e2-intensitywidthD?/在沿著光束傳播方向指定位置z處，功率密度大于或等于光束最大功率密度的1/e2時所對應的光束全寬寬度。7GB/T15651.4—2017/I環(huán)境額定或管殼額定半導體激光器。4.3外形與封裝細節(jié)a)引用的IEC和/或國家標準外形代號；c)引出端標識和任何引出端與管殼之間的電連接的標識；除另有規(guī)定外，適用整個工作溫度范圍。4.4.1最低和最高貯存溫度(Tg) 4.4.3最高焊接溫度(規(guī)定的焊接時間以及到管殼的最短距離)(Ta)4.4.4最大反向電壓(VRm)8GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:20064.4.5環(huán)境或管殼溫度為25℃時，下面的一個或多個參數(shù)及其與溫度相關的降額曲線或降額系數(shù)——最大連續(xù)輸出功率(Pm);——在規(guī)定頻率和脈沖持續(xù)時間下的最大脈沖正向電流(IFm);——在規(guī)定頻率和脈沖持續(xù)時間下的最大脈沖輸出功率(Pm)。4.5光電特性光電特性參見表1。規(guī)定輸出功率時應指明器件是以連續(xù)方式或脈沖方式工作?！鱅r指超過被測器件閾值電流Irh的正向電流值。表1光電特性序號特性條件除另有規(guī)定外，T.mb或T.=25℃符號說明要求可選要求值正向電壓×最大閾值電流×最小和最大閾值輸出功率規(guī)定ITH×最大超閾值正向電流×最大超閾值正向電流規(guī)定P,T=Tamb最大值或×最大微分效率規(guī)定P或△Ip×最小和最大峰值發(fā)射波長規(guī)定△Ip或P×最小和最大中心波長規(guī)定△Ip或P×最小和最大光譜帶寬規(guī)定△Ip或P×最小和最大或：RMS光譜帶寬規(guī)定△Ip或P×最小和最大或：規(guī)定光譜帶寬內的縱模數(shù)和波長域內模間隔規(guī)定△Ip或P最小和最大最小和最大邊模抑制比規(guī)定△Ip或P×最小束散角d或者規(guī)定△Ip或P×最小兩個指定面半強度角d規(guī)定△Ip或P×最大兩個指定面1/e2強度角*規(guī)定△Ip或P×最大偏移角規(guī)定△Ip或P×最大9GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006表1(續(xù))序號特性條件除另有規(guī)定外，Tamb或Te=25℃符號說明要求可選要求值激光二極管腔面半強度寬度規(guī)定△Ip或P,規(guī)定參考軸×最小和最大或者激光二極管腔規(guī)定△Ip或P,規(guī)定參考軸×最小和最大像散差規(guī)定△Ip或P,規(guī)定參考軸×最大開關時間上升時間和下降時間或：開通時間和關斷時間規(guī)定偏置條件(△Ip或P)規(guī)定輸入脈沖電流，寬度和負載××最大最大小信號截止頻率規(guī)定△Ip或P×最小相對噪聲強度規(guī)定P,f。,△fn×最大載噪比規(guī)定P,f。,△fn,×最大總電容規(guī)定△Ip或P或VR規(guī)定頻率×最大總電感規(guī)定△Ip或P或VR規(guī)定頻率×最大Sn參數(shù)規(guī)定△Ip或P規(guī)定頻率×最大6與參考面垂直。根據(jù)ISO11145只能使用束散角。目前，數(shù)據(jù)表中既可以使用束散角，也可以使用半強度角。制造商和用戶應根據(jù)應用決定使用哪一個參數(shù)。應注意區(qū)分束散角與半強度角，因為它們定義的是完全不同的概念。4.6補充資料——溫度對波長的影響5測試方法5.1功率測試5.2輸出功率穩(wěn)定性5.2.1相對強度噪聲5.2.2載噪比在規(guī)定調制條件，規(guī)定輸出功率(CW)下，測量半導體激光器的載噪比(C/N)。見圖4。AAPDNcTDW1PDNcTDLLGW2G圖4基本電路圖c)電路說明CS——直流電流源；D——被測器件；G——交流信號發(fā)生器；T——偏置T或無源偏置電路；L——聚焦透鏡系統(tǒng)；PD——光電探測器；A——電流測量儀；AMP.(fm)——工作頻率fm的放大器；W1——功率計；AMP.(f?)——工作頻率f。的放大器和濾波器；W2——功率計；Nc——阻抗匹配和分信號網(wǎng)絡。d)注意事項在規(guī)定的波長范圍內，“光電探測器十電流表”應作為一個輸出功率計單元進行校準。GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006聚焦系統(tǒng)設計應考慮： 避免輻射被反射回激光二極管或激光模塊；——使被測器件的光學端口聚集在光電探測器的光學端口上。e)測試步驟給被測器件D施加規(guī)定的電源和驅動條件。首先測量和記錄由光電探測器(規(guī)定功率P下)接收光輻射所產(chǎn)生的光電流Iph。通過偏置電路將射頻調制施加到被測器件上：正弦波頻率fm、調制深度m。用功率計W1測量在頻率fm時的電功率P?。電功率P?與調制輸出功率平方有如下關系：S——光電探測器PD的響應度；R。——PD[AMP(fm)輸入端]的負載電阻。用功率表W2測量在頻帶△f內的頻率f。處的噪聲電功率Ntot,(理論上f。應盡可能接近fm)。這是光電流Iph有關的純散粒噪聲和由輻射源強度波動引起的過量噪聲綜合的結果。純散粒噪聲必須在相同照度條件下(相同Iph)使用一個“寬光譜”射線源測量。對應于純散粒噪聲等效輸出功率波動(Ns)電噪聲功率可以用W2測量：或式中C——載波功率；B——噪聲帶寬；f)規(guī)定條件——環(huán)境溫度，管殼或熱沉溫度；——測量偏置條件(P,Ip或△Ip);——頻率和帶寬(fo,△f);——驅動頻率(fm);——調制深度(m)。5.2.3輸出功率穩(wěn)定度5.2.4輸出能量穩(wěn)定度5.3時域分布5.3.1開關時間5.3.1.1上升時間和下降時間5.3.1.2開通延遲時間和關斷延遲時間在規(guī)定條件下測量半導體激光器的開通時間ton(開通延遲時間taom)+上升時間tr)和關斷時b)電路圖見圖5。圖5基本電路圖c)電路說明G?——高阻抗脈沖信號發(fā)生器；G?——直流電流偏置源；G?——直流電壓偏置源；Ra——阻抗匹配的電阻；PD——光電二極管；RL——負載電阻；d)注意事項光電二極管的開關時間、電路和測試設備的延遲時間、輸入電流脈沖的上升和下降時間應該足夠短，以不至于影響測量精度。例如：包含電路的光電二極管上限截止頻率fo(靈敏度下降6dB),應該至少是激光脈沖上升時間t,倒數(shù)值的3倍。下限截止頻率應該為零。僅需考慮被測器件的光學端口。給被測器件施加規(guī)定的直流和脈沖電流。使用測量儀器M測量開關時間。100%輸出功率電平是輻射脈沖頂部獲得的平均輸出功率。0電平是在直流偏置電流下獲得的輸出功率。輸入脈沖電流tl說明：td(o)——開通延遲時間；ton開通時間；tdo——關斷延遲時間；tr——下降時間；f)規(guī)定條件——環(huán)境或管殼溫度；——直流偏置電流；——輸入脈沖電流、寬度和占空比；——光學端口；——光學結構。5.3.2小信號截止頻率(fe)注：當前版本的ISO11554沒有關于截止頻率測量方法的描述。在包含其測量方法的完整版ISO11554發(fā)布之前，GB/T15651.4—2017/IE在規(guī)定條件下測量半導體激光器的小信號截止頻率(fe)。b)電路圖PDM圖7基本電路圖c)電路說明及要求G?——頻率可調交流信號發(fā)生器；M——交流輸出功率測量儀；C?,C?——耦合電容。d)注意事項為避免失真影響測量的準確性，應當盡量減小反射回激光二極管的輸出功率。光電探測器的頻率響應必須大于fe。e)測試步驟調節(jié)正向電流，使連續(xù)的正向電流在閾值或額定輸出功率之上。在低頻(小于f./100)時，用頻率可調交流信號發(fā)生器G1調制正向電流，用測量儀M測量交流輸出功率。增大調制頻率，保持調制電平不變使得測量儀M指示的輸出功率達到低頻值的一半。此時頻率即為小信號截止頻率(fe)。5.5激光束的光學特性5.5.1空間分布GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:20065.5.3偏振a)目的在規(guī)定條件下測量半導體激光器的半強度角和1/e2強度角。注：半導體激光器的半強度角θ?2或1/e2強度角θ1/2是輻射強度大于或等于最大強度一半或1/e2時的角向，如圖9所示。mxDx軸和y軸確定了被測器件D的機械參考面，例如：安裝角度。角φ確定了器件D在機械參考面上的方向。圖9指定平面和機械參考面的關系b)裝置圖軸線的基本布局和定義如圖10所示。圖10基本測量裝置圖c)測量說明及要求D——被測器件；PD——光電探測器；z軸——被測器件已確定的機械軸；PD軸——光探測器的軸線；θ——z軸和PD軸間的夾角。被測器件D應該安裝在如下要求的裝置中：——器件D位置精確、可重復定位；——改變角θ,能保持器件D光學端口中心不變；——夾角θ可測量；——器件D可繞z軸旋轉；——對于x軸旋轉角度可測量。d)測試步驟給被測器件D施加規(guī)定的電流。將器件D的機械軸與光電探測器接收光軸對齊，即θ=0,然后測量光電探測器上的信號值。此值設置為P。。將器件D傾斜，繪出相對強度P/P。與θ的關系圖。優(yōu)先選擇極坐標圖。當空白詳細規(guī)范規(guī)定時，也可使用其他形式的坐標，如笛卡爾坐標。半強度角θ?/2是P=Pmax/2兩點之間的夾角。1/e2強度角θ?/e2是P=Pmax/e2兩點之間的夾角。e)規(guī)定條件 環(huán)境溫度，管殼或熱沉溫度；——測量偏置條件(P,Ir或△Ir);——機械參考面；——角φ。5.5.5半強度寬度D?/2和1/e2強度寬度D?/2在相應定義的軸上，測量激光二極管腔面(z=0)半強度寬度和1/e2強度寬度。b)測量裝置GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006測量裝置見圖11。圖11D?/2和D?/2的測量裝置G——電流源；L——透鏡系統(tǒng)；SD——有狹縫的掃描光電探測器；d?>d?。d)注意事項在光源LS和器件D的波長范圍內，透鏡系統(tǒng)L應該充分地消除色差。e)測量步驟打開光源LS,調節(jié)透鏡系統(tǒng)L,在探測器SD上獲得器件D前腔面聚焦圖像。讀出距離d?和d?。對被測器件D施加規(guī)定的直流電流或與指定輻射功率φ.對應的直流電流。光電探測器SD的掃描方向與聚焦圖像的主軸和次軸對齊。半強度點(3dB)和1/e2功率點之間距離乘以d?/d?得到。f)規(guī)定條件 GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006(資料性附錄)空間分布和光譜特性相關術語及定義參照表表A.1空間分布和光譜特性相關術語及定義參照表光學端口光束軸4.1、4.2光束橫截面積光束直徑光束半徑光束寬度光束參數(shù)積光束傳輸比光束位置光束位置穩(wěn)定度角向移動光束指向穩(wěn)定性軸線橫向位移光束位置移動光束相對指向穩(wěn)定性光束相對位置穩(wěn)定性光束穩(wěn)定性參數(shù)積光束冷啟動時的位置改變短期穩(wěn)定性中期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性束腰束腰直徑GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006表A.1(續(xù))束腰半徑束腰寬度相干性相干長度相干時間裝置效率束散角有效f數(shù)平均能量密度脈沖能量能量密度遠場激光器連續(xù)激光器脈沖激光器激光組件激光光束激光裝置激光器效率激光輻射激光設備壽命縱模橫模偏振×圓偏振×橢圓偏振×線偏振×線偏振度X部分偏振×隨機偏振輻射X平均功率密度GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006表A.1(續(xù))連續(xù)功率功率密度脈沖功率平均功率峰值功率脈沖持續(xù)時間10%脈沖持續(xù)時間脈沖重復頻率量子效率瑞利長度譜寬度穩(wěn)定腔非穩(wěn)腔測量平面機械軸波陣面形狀/表面的主軸分布功率密度分布主軸功率密度分布方向位角功率密度分布橢圓度圓功率密度分布束腰位置半強度角角向移動待補充扭曲參數(shù)無像散像散3.10、3.11GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006表A.1(續(xù))簡單像散廣義像散本征像散像散束腰分離像散波前曲率像散差待補充偏振3峰值發(fā)射波長光譜輻射帶寬光譜線寬縱模數(shù)模間隔中心波長3.9、3.10邊模抑制比波長溫度系數(shù)GB/T15651.4—2017/IEC60747-5-4:2006(資料性附錄)空間分布和光譜特性相關測試方法參照表表B.1空間分布和光譜特性相關測試方法參照表光束直徑7光束寬度7光束傳輸比98光束位置穩(wěn)定性7.2、8.1光束指向穩(wěn)