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激光器性能参数测试算法的研究与软件实现毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

本文利用高级技术计算语言MATLAB首先对半导体激光器性能测试算法的滤波算法部分进行了设计和实现;在测试算法中最核心的曲线拟合算法方面,分别选取了三种不同的算法,并且在MATLAB中实现并测试了最小二乘法、梯度下降法,运用脚本语言PYTHON实现并测试了遗传算法,比较了几种算法的拟合效果以及程序运行时间,利用基于变窗口曲线拟合的二次微分法,有效提高了阈值电流提取的精度,所得结果对半导体激光器性能参数测试算法的优化具有重要指导意义。

论文主要研究了半导体激光器的物理原理,并通过对其性能参数物理原理的分析,建立了多项式拟合其L-I、V-I曲线的数学模型。算法方面,对比了三种不同的数学优化方法在不同参数、不同多项式阶数下的拟合效果,提出了变窗口曲线拟合的方法,优化了传统二次微分法参数提取的精度。硬件系统方面,设计了下位机协同上位机的测试系统的原理框图。

研究结果表明:在曲线拟合方面,最小二乘法比遗传算法、梯度下降算法具有更好的拟合效果、更快的运算速度,在阈值电流的提取方面,利用变窗口曲线拟合的方法,可以有效降低噪声对算法的影响,提高阈值电流提取的精度。

本文的特色:从多个角度分析并且测试了几种曲线拟合算法,并基于测试结果提出优化方案,提出了基于变窗口曲线拟合的阈值电流提取办法。

关键词:半导体激光器;阈值电流;最小二乘法;变窗口曲线拟合

Abstract

In this paper, the high-tech computing language MATLAB is used to design and implement the filtering algorithm part of the semiconductor laser performance testing algorithm. In the core algorithm of the test algorithm, three different algorithms are selected, and in MATLAB. The least squares method and gradient descent method were implemented and tested. The genetic algorithm was implemented and tested by the scripting language PYTHON. The fitting effects of several algorithms and the running time of the program were compared. The second derivative method based on variable window curve fitting was used. The accuracy of threshold current extraction is effectively improved, and the obtained results have important guiding significance for the optimization of semiconductor laser performance parameter testing algorithm.

The paper mainly studies the physical principle of semiconductor lasers, and through the analysis of the physical principles of its performance parameters, the mathematical model of polynomial fitting its L-I and V-I curves is established. In the aspect of algorithm, the fitting effects of three different mathematical optimization methods under different parameters and different polynomial orders are compared. The method of variable window curve fitting is proposed, and the precision of traditional quadratic differential method parameter extraction is optimized. In terms of hardware system, the principle block diagram of the test system of the lower computer and the upper computer is designed.

The results show that in the aspect of curve fitting, the least squares method has better fitting effect and faster computing speed than genetic algorithm and gradient descent algorithm. In the aspect of threshold current extraction, the method of variable window curve fitting is used. It can effectively reduce the influence of noise on the algorithm and improve the accuracy of threshold current extraction.

The characteristics of this paper: several curve fitting algorithms are analyzed and tested from several angles, and the optimization scheme is proposed based on the test results. The threshold current extraction method based on variable window curve fitting is proposed.

Key Words:Semiconductor laser; threshold current; least squares method; variable window curve fitting

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 激光器性能参数测试算法的国内外发展现状 1

1.2.1 激光器性能参数测试算法的国外发展现状 1

1.2.2 激光器性能参数测试算法的国内发展现状 2

1.3 论文组织结构 3

1.4 本章小结 4

第2章 半导体激光器工作原理以及特性参数分析 5

2.1 半导体激光器概述 5

2.1.1 半导体激光器的分类及其应用 5

2.1.2 半导体激光器的工作原理 5

2.2 半导体激光器的性能参数和曲线 6

2.2.1 V-I关系特性曲线 6

2.2.2 L-I关系特性曲线 8

2.3 本章小结 10

第3章 半导体激光器性能参数测试系统设计 11

3.1 系统功能分析和工作划分 11

3.2 系统方案设计分析 11

3.3 测试算法流程分析 12

3.4 算法设计要求 13

3.5 本章小结 14

第4章 半导体激光器性能参数测试算法设计 15

4.1 滤波算法设计 15

4.2 曲线拟合算法设计 15

4.2.1 梯度下降法曲线拟合 16

4.2.2 遗传算法曲线拟合 17

4.2.3 最小二乘法曲线拟合 19

4.3 参数提取算法设计 20

4.3.1 小波变换提取法 20

4.3.2 L-I曲线微分法 20

4.4 本章总结 22

第5章 半导体激光器性能参数测试算法仿真结果 23

5.1 滤波算法仿真结果 23

5.2 曲线拟合算法仿真结果 23

5.2.1 梯度下降法曲线拟合 23

5.2.2 最小二乘法曲线拟合 25

5.2.2 遗传算法曲线拟合 26

5.3 参数提取算法仿真结果 28

5.3.1 基于变窗口曲线拟合的改进 28

5.4 本章总结 30

第6章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 引言

半导体激光器这个概念最早是在1961年由Basov等人提出,注入PN结中的载流子的复合作用可能会使半导体发生受激发射,从而产生激光。次年,第一批半导体激光器在实验室中完成了,但是受限于当时的材料技术、制造技术,使得当时的激光器并不能脱离实验室环境运行。1969年,异质结构的引入使得半导体激光器在室温环境下正常的运行成为了可能[1]

半个世纪以来,半导体激光器在光电子、光通信行业的有了长足的发展和各式各样的应用,尤其是在光源领域中,国防、医疗、科技、农业、工业等方向。在生产实践中,而半导体激光器的好坏主要由其性能参数决定。在一定程度上这些性能参数能够反映激光器的物理特性和工作原理,为评估其性能提供了依据。因此,如何能够快速准确的测试半导体激光器的性能参数便成了一个亟待解决的问题。

半导体激光器测试经历了手动测试,自动测试和嵌入式测试的历程。最初的激光器测试受到微电子、控制和计算机技术的限制,主要是通过电流表和电压表的手动测试。随着相关产业技术迅速发展、自动化的测试技术实现了飞跃性的进展,以LD数字测试领域的测试特性,混合测试模式测试,核心计算机实现处理,传感器和测试装置的形式自动测试LD特性参数收购终端。

1.2 激光器性能参数测试算法的国内外发展现状

1.2.1 激光器性能参数测试算法的国外发展现状

作为一种高科技产品,激光测试和控制仪器间接的反映了一个国家的光电技术水平。现如今世界LD市场可以分为三个区域:亚太、欧洲和北美等,其中北美占了大头,欧洲以及太平洋地区各占小部分,大约为2:1:1的比例。亚太地区的日本市场在而光电子技术方面具有领先地位,北美地区的美国次之;另外,欧洲区域的德国市场更擅长研发在激光相关材料的加工设备;美国则在激光医疗及检测方面居首位。近几年,由于激光测试领域的需求不断增大,许多优秀的仪器制造商已经将重点转移到激光测试设备上的研发上。下面将详细列举自上世纪九十年代以来激光器测试算法的国外发展现状。

1999年,日本的系统技术研究有限公司开发出一种半导体激光参数检测系统,该系统初步实现了对激光器的各种特性的测试工作[2]。随后日本大量知名的激光器公司开始引进这种设备。此设备使得生产半导体激光器的效率有了显著的提升,并且让激光器厂商愿意在激光器参数测试设备的研究中投入更多的人力物力。

2002年,Q8611二极管激光检测系统是由日本Advantest公司研发而成,与之前的测试系统不同,除了激光器的光电特性,这个系统还能够检查12.5 Gbps速率以下信号的传输特性[3]。另外,该公司还为它设计了一个交互式的控制界面,用户能够通过简单操作来更改自己的测试需求并进行界面测试。

不仅是日本地区,2003年以来,美国也开始渐渐有公司推出了自己的激光器测试系统, Keihley仪器于2003年推出了System25和2520型脉冲式激光二极管测试系统。测试系统由许多设备所组成,包括密度测试。二极管激光模块的直流特性、光功率和严格的温度控制等。测试系统使用Keihley设备,可以修改基本配置并添加了新的测量功能,其典型特征是在8s内测量400个扫描点,极低的激光二极管控制噪声源(50uA);5A激光二极管系列,用于温度控制的数字PID回路。温度稳定性0.005°C,定点分辨率±0.001°C等,Keihley开发了一系列标准系统配置,包括与PC接触的通信,中间激活设备和所有电缆需要连接到测试设备。该转换器还包括一个用于设备的标准机柜,有助于提高测试灵活性[4]

2010年,德国Atifex公司推出了LIV100二极管激光表征系统,该系统是一个微控制系统,包括相同的数字信号处理器,电流驱动和集成球体。能够迅速检测激光二极管的典型参数。连续扫描电流和电压并保存数据,然后根据获得的数据快速提取当前检测到的二极管的L/I,V/I图。通过图表快速找到故障二极管,以节省包装成本[5]

综上所述,外国市场在激光器测试技术领域具备先发优势,近些年的发展也十分的迅速。许多国外生产的测试设备都具有良好的稳定性,并且使用方便,但是进口这些设备的高额的进口费用会增加设备成本,并且不利于国内测试设备领域国有技术的发展,长期进口国外产品将会提高国内市场产生对外国技术的依赖性,不利于产业的发展。

1.2.2 激光器性能参数测试算法的国内发展现状

虽然我国半导体激光器检测技术起步比较晚,但近些年来,得益于国家对光纤和通信技术发展的大力投资和支持,我国在激光控制控制和光电检测领域发展非常迅速,并且先后取得了一批具有自主知识产权的高新技术,渐渐打破了在某些领域国外的垄断地位。

自上世纪90年代以来,半导体激光器在国内应用日渐广泛,而用户对半导体激光器质量要求也越来越高,在市场环境的催化下,我国半导体激光器检测技术飞速发展,一些优秀的研究成果与产品层出不穷[3]

1995年发表的文献[6]提出一种激光器测试系统,可以快速检查激光器和二极管的相关特性参数,同时具备光功率计的功能[6]。随后,清华的薛琳等在2001年提出了一种LD测试系统克服了不能实时观察特征曲线的问题,该系统的最大特点是能够自动创建半导体激光器的特征曲线。2003年发表文献[7]中提出了一种结合了PC和测试平台的LD测试系统,这是国内较早提出相关方案的科技论文。通过对被测LD的循环扫描,该系统一次能够测试最多48个LD[7]。2008年发表的文献[8]中指出,温度控制在激光器测试系统中尤为重要,该论文中设计了一种温度控制电路,使其能够实现测试时的温度控制,这是国内较早提出在测试过程中控制温度的论文[8]。2009年发表的文献[9]中设计了一种小功率LD测试系统。该系统以单片机为控制核心,采用恒流驱动,能够将收集数据并发送给计算机,让计算机进行分析和处理。该系统不仅实现了测试过程中的温度控制功能,并且设计了保护电路[9]

受益于武汉光谷与长春光谷的建立,我国半导体激光器的产品化进程也发展迅速,涌现了一批专门生产研发激光器测试设备的厂家。北京海特光电生产的LDTS系列半激光器测试仪能够检测LD的光电和光谱特性,具有广泛的选择范围。TO,COS,C-mount和BAR系列均可通过不同封装类型进行测试。

北京引航科技还开发了一种可以在计算机上显示阈值电流、光功率、监视光电流等数据的LDT光电参数检测系统,并且它还可以产生光功率-电流、电压-电流、监视光电流-电流等特性曲线。最大可以扫描100mA的电流,系统具备可以存储1000次扫描数据的缓冲存储器。此外,友好的图形界面还使得该系统的操作更加快捷、更加方便。

长春飞秒科技推出过一款能够测量光功率范围和光谱的LDT测试设备。此外,连接到计算机后,还可以将测量得到的数据显示并保存在计算机中。

RB-LT1000系列测试机是深圳瑞波光电子开发的,在受控环境温度下为封装过的激光器器件提供老化和寿命测试,并且能够实时、在线的监控和记录有关参数。该系统可以测量工作在350-1100nm或900-1700nm的波长的激光器件,它具有高系统集成度,可以监控并且记录激光芯片的激光功率、光谱宽度、最大波长等状态,而且可以自动的绘制激光器每工位功率衰减值VS时间以及波长VS时间的趋势曲线,能够可以灵活地增减激光芯片的数量。

综上所述,相对于国外市场而言,国内的激光器参数测试技术虽然也在断断续续的发展,且基本能实现的各种参数测试,但是仍然算不上先进,测试平台还存在诸多缺点。

1.3 论文组织结构

本论文组织结构大概可以分以下几个章节:

第一章 大致说明了论文设计的目的以及意义,并且列举了近年来国内外优秀的半导体激光器测试平台,评价了国内外半导体激光器测试领域的优缺点。

第二章 对半导体激光器的基本结构和工作原理进行了简单的概述,并对影响半导体激光器性能的重要参数、重要曲线的物理意义进行了简单的分析。

第三章 简述了论文计划完成的工作,论文最终需要完成的算法的功能以及实物测试需要搭建的硬件平台的功能。

第四章 论述了设计中所需完成的软件工作,并对于其中用于曲线拟合的算法进行了简单的数学分析,分析对比了多种计算重要参数的算法。

第五章 对设计的算法进行了仿真测试,展示测试结果。

第六章 总结了论文的工作和未来的研究方向

1.4 本章小结

本章中概述了半导体激光器测试算法研究的重要性,并且回顾了半导体激光器测试仪器的国内外发展历史,简述了论文的组织结构。

第2章 半导体激光器工作原理以及特性参数分析

2.1 半导体激光器概述

2.1.1 半导体激光器的分类及其应用

半导体激光器的应用领域由激光波长和输出特性决定,可以通过激光活性层材料改变波长,第一个半导体激光器诞生于40多年前,波长为840nm,产生红外光。不同振荡波长的激光器所应用的领域也不同,激光器的振荡波长大致可以分为三个区间,不同振荡波长的的激光器的应用领域如下表2.1所示。

激光器材料

波长

颜色

应用领域

GaInN

400 - 530nm

蓝紫色到绿色

蓝光光盘/投影仪

AlGaInP

635 - 680nm

红色

DVD /投影机

AlGaAs

780 - 850nm

红外线

CD /打印机/光通信/ 3D传感器

InGaAs

900 - 980nm

红外线

3D传感器

表2.1 激光器波长与应用领域

振荡波长为400至800nm的短波激光器具有良好的光聚焦特性,因此它们用于读取和写入光盘信号。 具有三种原色光(450nm,530nm,635nm)的波长的激光器用于投影仪应用。

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