激光二極管概述

激光二極管（Laser Diode，LD）是一種基于半導體PN結的發(fā)光器件，其通過載流子復合過程中的受激輻射產生激光。

在諧振腔的光學放大作用下，激光二極管可輸出單色性好、方向性強的相干光，廣泛應用于光通信、醫(yī)療設備、工業(yè)傳感等領域。

典型的激光二極管模塊通常由激光二極管（LD）和監(jiān)測用光電探測器（PD）組成。PD用于實時檢測光輸出功率，并通過反饋回路實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定控制。

激光二極管的基本結構主要包括：

• 激光發(fā)射區(qū)（LD）：產生激光的核心部分。
• 光電二極管（PD）：接收部分發(fā)射光，用于功率監(jiān)測。
• 光學鏡頭：多由玻璃材料制成，起聚光、防塵及構成諧振腔作用。
• 金屬外殼：提供機械支撐、散熱及電磁屏蔽功能。

激光二極管的LIV測試

一. LIV測試定義

LIV測試是指同步測量激光二極管的光功率（L）、電流（I）與電壓（V）關系的評估方法。通過該測試，可獲取閾值電流、斜率效率等關鍵參數(shù)，為器件性能分析與可靠性判斷提供依據(jù)。

二. LIV測試步驟

測試系統(tǒng)一般包括脈沖電流源表（PSMU）與源測量單元（SMU）。如下圖所示，PSMU工作于脈沖電流掃描模式，向LD施加從微安至毫安乃至安培量級的逐步遞增脈沖電流，并同步采集LD兩端電壓（Vf）及電流（If），從而繪制正向I-V特性曲線，用于評估導通特性與漏電情況。

同時，PSMU通過觸發(fā)接口同步控制SMU，實時采集PD端的光電流信號，進而換算出激光輸出功率，完成L-I特性測量。

三. LIV特性評估的意義

LIV特性測試是激光二極管研發(fā)、生產及應用中的關鍵環(huán)節(jié)，其作用主要體現(xiàn)在以下三方面：

1. 提取關鍵性能參數(shù)，量化器件優(yōu)劣

通過LIV曲線（橫軸為驅動電流If，縱軸為光功率Po與正向電壓Vf）可直接獲取以下參數(shù)：

• 閾值電流（Ith）：激光開始產生所需的最小電流，是判斷器件啟動難易程度的核心指標。Ith越低，器件越容易起振，適用于低功耗場景（如便攜設備）。
• 斜率效率（Se，單位W/A）：線性區(qū)的激光輸出功率（W）與泵浦注入電流（A）的線性比例系數(shù)，反映電光轉換效率，Se越高，相同電流增益下輸出功率提升越多，器件更節(jié)能、發(fā)熱更少。
• 正向電壓（Vf）：對應特定電流下的正向壓降，結合電流可計算輸入電功率（Pin = Vf × I），進而算出電光轉換效率（WPE = Pout / Pin × 100%），評估器件整體能量利用率。
• 飽和輸出功率：當電流增大到一定程度，不再隨電流線性增長時的輸出功率值，決定了器件的最大可用功率上限，是激光切割、激光測距等大功率應用的關鍵指標。

2. 判斷器件工作穩(wěn)定性與可靠性

LIV曲線形態(tài)可反映器件潛在缺陷：

• 曲線線性區(qū)出現(xiàn)不光滑、波動或突變，常預示腔面損傷、增益不均勻或溫度漂移等問題，可能影響器件壽命。
• 斜率效率曲線能放大“突變”現(xiàn)象，以峰值形式呈現(xiàn)，從而幫助用戶發(fā)現(xiàn)光電流特性中難以察覺的細微異常。

• 電壓特性偏離理想二極管行為，可能提示歐姆接觸不良或材料缺陷，導致異常發(fā)熱與老化。
• 通過高低溫環(huán)境下的LIV測試（如 -40℃ - 85℃），可評估器件溫度適應性，優(yōu)質激光二極管的Ith和Se隨溫度變化的幅度小，可滿足不同環(huán)境下的穩(wěn)定工作需求。

3. 指導研發(fā)與工藝優(yōu)化

在研發(fā)階段，通過對比不同材料（如GaAs、InP）、不同腔長、不同鍍膜工藝的LIV曲線，可優(yōu)化設計方案（如降低Ith需調整摻雜，提升Se需改進腔面鍍膜）。在生產環(huán)節(jié)，LIV測試是質量管控的重要手段，可確保產品性能一致性，剔除不合格品。

LIV測試面臨的主要挑戰(zhàn)

LIV測試的核心目標之一是評估光功率隨驅動電流變化的線性度，并準確捕捉曲線中的局部“突變”，這對測試系統(tǒng)提出了較高要求：

1. 寬動態(tài)范圍的驅動電流：測試常覆蓋從微安到安培級的電流范圍。
2. 窄脈沖寬度：為減小器件自熱效應對測試結果的影響，需采用盡可能窄的電流脈沖，同時也利于提升測試效率。
3. 高采樣率：高采樣率可準確捕獲信號快速邊沿與瞬態(tài)細節(jié)，真實還原器件動態(tài)特性（特別是快速上升沿和窄脈沖）。

針對上述需求，聯(lián)訊儀器 S3026P 系列脈沖源測量單元（PSMU），提供了適用的解決方案：

• 支持最高±1.5 A 脈沖電流輸出與±10 V 電壓測量，多量程可選。
• 最小脈沖寬度可達1 μs，有效抑制熱效應，還原器件真實電學特性，適配高速硅光器件的動態(tài)測試需求。
• ADC采樣率高達100 MSa/s，能精確捕捉峰值、上升時間及振蕩等動態(tài)參數(shù)。

除 PSMU 外，激光二極管測試中也可根據(jù)場景選擇其他類型源表：

下圖展示了用于激光二極管LIV特性測試的PXIe測試系統(tǒng)的典型配置，系統(tǒng)中可外接監(jiān)測光電二極管，為激光驅動電路提供反饋信號。

下圖為S3026P前面板與負載接線示意圖，可供用戶快速完成系統(tǒng)連接。