激光二極管概述

激光二極管（Laser Diode，LD）是一種基于半導(dǎo)體PN結(jié)的發(fā)光器件，其通過載流子復(fù)合過程中的受激輻射產(chǎn)生激光。

在諧振腔的光學(xué)放大作用下，激光二極管可輸出單色性好、方向性強(qiáng)的相干光，廣泛應(yīng)用于光通信、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)傳感等領(lǐng)域。

典型的激光二極管模塊通常由激光二極管（LD）和監(jiān)測(cè)用光電探測(cè)器（PD）組成。PD用于實(shí)時(shí)檢測(cè)光輸出功率，并通過反饋回路實(shí)現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定控制。

激光二極管的基本結(jié)構(gòu)主要包括：

• 激光發(fā)射區(qū)（LD）：產(chǎn)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(cè)。
• 光學(xué)鏡頭：多由玻璃材料制成，起聚光、防塵及構(gòu)成諧振腔作用。
• 金屬外殼：提供機(jī)械支撐、散熱及電磁屏蔽功能。

激光二極管的LIV測(cè)試

一. LIV測(cè)試定義

LIV測(cè)試是指同步測(cè)量激光二極管的光功率（L）、電流（I）與電壓（V）關(guān)系的評(píng)估方法。通過該測(cè)試，可獲取閾值電流、斜率效率等關(guān)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(cè)試步驟

測(cè)試系統(tǒng)一般包括脈沖電流源表（PSMU）與源測(cè)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(jí)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(píng)估導(dǎo)通特性與漏電情況。

同時(shí)，PSMU通過觸發(fā)接口同步控制SMU，實(shí)時(shí)采集PD端的光電流信號(hào)，進(jìn)而換算出激光輸出功率，完成L-I特性測(cè)量。

三. LIV特性評(píng)估的意義

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

1. 提取關(guān)鍵性能參數(shù)，量化器件優(yōu)劣

通過LIV曲線（橫軸為驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生所需的最小電流，是判斷器件啟動(dòng)難易程度的核心指標(biāo)。Ith越低，器件越容易起振，適用于低功耗場(chǎng)景（如便攜設(shè)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(zhuǎn)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(duì)應(yīng)特定電流下的正向壓降，結(jié)合電流可計(jì)算輸入電功率（Pin = Vf × I），進(jìn)而算出電光轉(zhuǎn)換效率（WPE = Pout / Pin × 100%），評(píng)估器件整體能量利用率。
• 飽和輸出功率：當(dāng)電流增大到一定程度，不再隨電流線性增長(zhǎng)時(shí)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(cè)距等大功率應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。

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(dòng)或突變，常預(yù)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(xì)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(dǎo)致異常發(fā)熱與老化。
• 通過高低溫環(huán)境下的LIV測(cè)試（如 -40℃ - 85℃），可評(píng)估器件溫度適應(yīng)性，優(yōu)質(zhì)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(dǎo)研發(fā)與工藝優(yōu)化

在研發(fā)階段，通過對(duì)比不同材料（如GaAs、InP）、不同腔長(zhǎng)、不同鍍膜工藝的LIV曲線，可優(yōu)化設(shè)計(jì)方案（如降低Ith需調(diào)整摻雜，提升Se需改進(jìn)腔面鍍膜）。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，LIV測(cè)試是質(zhì)量管控的重要手段，可確保產(chǎn)品性能一致性，剔除不合格品。

LIV測(cè)試面臨的主要挑戰(zhàn)

LIV測(cè)試的核心目標(biāo)之一是評(píng)估光功率隨驅(qū)動(dòng)電流變化的線性度，并準(zhǔn)確捕捉曲線中的局部“突變”，這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了較高要求：

1. 寬動(dòng)態(tài)范圍的驅(qū)動(dòng)電流：測(cè)試常覆蓋從微安到安培級(jí)的電流范圍。
2. 窄脈沖寬度：為減小器件自熱效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，需采用盡可能窄的電流脈沖，同時(shí)也利于提升測(cè)試效率。
3. 高采樣率：高采樣率可準(zhǔn)確捕獲信號(hào)快速邊沿與瞬態(tài)細(xì)節(jié)，真實(shí)還原器件動(dòng)態(tài)特性（特別是快速上升沿和窄脈沖）。

針對(duì)上述需求，聯(lián)訊儀器 S3026P 系列脈沖源測(cè)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(cè)量，多量程可選。
• 最小脈沖寬度可達(dá)1 μs，有效抑制熱效應(yīng)，還原器件真實(shí)電學(xué)特性，適配高速硅光器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試需求。
• ADC采樣率高達(dá)100 MSa/s，能精確捕捉峰值、上升時(shí)間及振蕩等動(dòng)態(tài)參數(shù)。

除 PSMU 外，激光二極管測(cè)試中也可根據(jù)場(chǎng)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(cè)試的PXIe測(cè)試系統(tǒng)的典型配置，系統(tǒng)中可外接監(jiān)測(cè)光電二極管，為激光驅(qū)動(dòng)電路提供反饋信號(hào)。

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