激光二極管的閾值電流與光譜特性研究

金 佳 李佛生 馬寧生 方 愷

(同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

激光二極管的閾值電流與光譜特性研究

金 佳 李佛生 馬寧生 方 愷

(同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

本文研究了激光二極管的閾值電流特性，利用光纖光譜儀測量了閾值電流兩側(cè)輸出光的光譜分布；利用恒溫控制儀改變溫度，研究溫度對閾值電流和輸出光光譜的影響。本文研究表明：在電流沒有達(dá)到閾值時，光譜的半高寬很寬，電流大于閾值后，激光輸出功率迅速增大，光譜半高寬明顯減??；隨著溫度的升高，激光二極管的閾值電流會增大，輸出光功率減小，峰值波長向長波長移動。本實驗?zāi)茏寣W(xué)生更深刻地理解激光二極管的工作原理以及一些基本的光學(xué)概念，拓展了理科光學(xué)實驗的課程內(nèi)容。

激光二極管；閾值電流；光譜特性；輸出光功率

物理實驗在大學(xué)課程中是一門基礎(chǔ)課程，可以培養(yǎng)學(xué)生的物理思維、獨立思考能力，增長他們的知識面等，對之后專業(yè)課的學(xué)習(xí)也會有一定的幫助。因此其課程內(nèi)容需要不斷地拓展和豐富。在以往的理科光學(xué)實驗中，曾開設(shè)有發(fā)光二極管(LED)光譜測量實驗，而如今激光二極管的使用越來越普及，由此想到可以類比于LED，對激光二極管進(jìn)行研究。

激光二極管又稱半導(dǎo)體激光器，它具有體積小、價格低、功耗小、重量輕、易于進(jìn)行光調(diào)制等優(yōu)點，已被應(yīng)用于光通信、醫(yī)療、科研、軍事等領(lǐng)域[1]。自激光二極管問世近幾十年來，它不管在研究上還是性能上都已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，目前已經(jīng)進(jìn)入了人們的日常生活[2]。本文研究了激光二極管的閾值電流特征，分析了閾值電流兩側(cè)輸出光的光譜分布特征。利用恒溫控制儀改變溫度，深入研究了溫度的變化對閾值電流、輸出光功率、峰值波長的影響。這些工作不僅豐富了普通物理實驗的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理解自發(fā)輻射、受激輻射、激光二極管閾值電流、光功率、光強等基本概念，還可以激發(fā)他們深入研究此類器件的特性，為之后進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。

1 實驗原理

激光二極管的電子和空穴在結(jié)區(qū)復(fù)合并輻射出光子，光子在輻射時存在兩種機(jī)制，自發(fā)輻射和受激輻射。當(dāng)二極管的正向激勵電流小于閾值電流時，PN結(jié)內(nèi)的電子、空穴濃度不夠大，其主要發(fā)光機(jī)制仍為自發(fā)輻射。這時不產(chǎn)生激光，而是發(fā)熒光，輸出光功率很小，發(fā)光特性和普通的發(fā)光二極管類似。當(dāng)其正向電流大于閾值電流時，主要的發(fā)光機(jī)制為受激輻射，這時產(chǎn)生激光。當(dāng)電流增大，輸出光功率會急劇增大。

圖1 雙異質(zhì)結(jié)激光二極管(a) 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體材料之間夾一層激活層的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)； (b) 能帶較窄的激活層折射率高于周邊材料； (c) 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在激活層的兩側(cè)對光波進(jìn)行限制

在實際應(yīng)用中通常用雙異質(zhì)結(jié)激光二極管，即在構(gòu)成PN結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體材料之間夾一層厚度約為0.1μm的半導(dǎo)體材料，稱為激活層，如圖1(a)。這種結(jié)構(gòu)可以提高局部區(qū)域受激輻射強度，從而減小閾值電流密度。由于激活層能帶較窄，大量的電子和空穴就被限制在這個很窄的區(qū)域里，提高了受激輻射產(chǎn)生的概率。另一方面，激活層的折射率大于周邊材料，如圖1(b)，在光學(xué)增益區(qū)附近可以形成一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來增加光子濃度，從而提高受激輻射的概率，如圖1(c)[3]。

2 實驗內(nèi)容

本實驗用到的實驗儀器有激光二極管(波長為650nm，額定功率為5mW)、上海復(fù)享光學(xué)的E820光纖光譜儀(分辨率為0.62nm)、恒溫控制儀、激光功率計、恒流源、計算機(jī)等。具體的實驗步驟是：首先測量激光二極管的正向電流—輸出光功率關(guān)系曲線，求出其電流閾值；然后利用光纖光譜儀測量并比較閾值電流兩側(cè)輸出光的光譜分布，觀察并記錄中心波長、半高寬的變化規(guī)律；最后用恒溫控制儀改變二極管溫度，觀察溫度的變化對其閾值電流以及輸出光譜的影響。

2.1 測量激光二極管的閾值電流

利用光功率計，測量了電流在0.0～16.0mA范圍內(nèi)對應(yīng)的輸出光功率值，得到了室溫下(22℃)激光二極管正向激勵電流與輸出光功率的關(guān)系曲線見圖2?？梢娗€的前半段非常平坦，后半段接近線性增長。把曲線后半段延長線與電流軸相交，如圖上虛線所示，其交點對應(yīng)的就是激光二極管的閾值電流?？芍跊]達(dá)到閾值前激光器的輸出功率非常小，接近于零，此時激光器發(fā)出的是熒光；電流達(dá)到閾值之后輸出功率開始快速地呈線性增長，產(chǎn)生了激光輸出。通過擬合得到圖2中虛線的函數(shù)關(guān)系式為y=0.5204x-5.5451，相關(guān)系數(shù)R2=0.9997。閾值電流即為交點對應(yīng)的電流，大小等于10.7mA。

圖2 激光二極管正向激勵電流與輸出光功率關(guān)系圖

圖3 不同溫度下電流與輸出光功率關(guān)系圖

圖4給出了當(dāng)注入電流為8.0mA時，輸出光功率與溫度的變化曲線。由圖可見當(dāng)溫度升高，輸出光功率有減小的趨勢。這是因為溫度升高導(dǎo)致二極管內(nèi)部結(jié)溫升高，載流子的濃度降低，使得復(fù)合發(fā)光的效率下降，輸出光功率減小。這就是為什么激光二極管工作一段時間后其輸出功率會下降。

圖4 電流為8.0mA時，溫度與光功率關(guān)系曲線

2.2 激光二極管的光譜特性

圖5 電流低于閾值時的光譜分布圖

圖6 電流高于閾值時的光譜分布圖

隨著注入電流的變化，激光二極管的發(fā)光光譜會發(fā)生變化。圖5、圖6是激光二極管的光譜分布圖。當(dāng)電流在閾值以下時，光譜的半高寬很寬，相對光強很弱，此時為多模輸出，如圖5所示。由光譜儀讀出此時(注入電流為9.0mA)光譜的半高寬為11.84nm。隨著電流的增大，光譜的寬度會慢慢變窄。當(dāng)電流達(dá)到閾值時，光譜的半高寬突然變窄，出射光強急劇增加，此時變?yōu)閱文］敵鯷4]。發(fā)光機(jī)制以受激輻射為主，因而產(chǎn)生激光，其光譜分布如圖6所示。由光譜儀讀出此時(注入電流為11.0mA)光譜的半高寬為2.30nm?？傮w來說隨著注入電流的增大，光譜的半高寬有一個遞減的趨勢。比較兩幅圖可以看出，光譜半高寬變窄，相對光強驟增是激光二極管達(dá)到閾值時的標(biāo)志。

圖7 溫度和峰值波長關(guān)系曲線

3 實驗課程設(shè)計

本實驗作為理科光學(xué)實驗給物理專業(yè)大二的學(xué)生開設(shè)，占4個課時，實驗時間共180分鐘，其中包括教師進(jìn)行實驗操作講解、檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況、學(xué)生進(jìn)行實驗操作、處理實驗數(shù)據(jù)、完成實驗思考題、教師批閱學(xué)生實驗。物理專業(yè)的光學(xué)實驗課程每個學(xué)期平行開設(shè)有14個實驗項目，每個實驗都是4課時，學(xué)生們會以輪轉(zhuǎn)的形式完成所有的實驗項目和一個期末設(shè)計題。其中包括激光二極管特性測定、太陽能應(yīng)用、X光實驗、顯微鏡實驗、CCD測量等等。所有的實驗項目在微課程系統(tǒng)中都有教學(xué)視頻提供給學(xué)生，學(xué)生上實驗課之前可以登入到微課程系統(tǒng)提前進(jìn)行預(yù)習(xí)。之后這個項目還會開設(shè)給工科的學(xué)生作為開放性實驗，旨在培養(yǎng)他們的發(fā)散性思維和綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

本實驗研究了激光二極管的閾值電流特性和光譜特性，通過實驗，讓學(xué)生更深刻更形象地理解激光二極管的工作原理以及一些基本的光學(xué)概念。本實驗也豐富了光學(xué)實驗的課程內(nèi)容，讓學(xué)生在日常生活中碰到這類半導(dǎo)體器件時有全面的了解，并且促進(jìn)他們更深入地研究此類器件的特性，為今后進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。

[1] 馬寧生, 李佛生. 光學(xué)實驗[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2016: 167-168.

[2] 陸廷濟(jì), 胡德敬, 陳銘南. 物理實驗教程[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2000: 322-323.

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[6] 張季熊. 光電子技術(shù)原理與教程[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2001: 190-201.

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STUDY ON THRESHOLD CURRENT AND OUTPUT SPECTRUM CHARACTERISTIC OF LASER DIODE

Jin Jia Li Fosheng Ma Ningsheng Fang Kai

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)

The characteristic of threshold current of laser diode are studied. Using the fiber optic spectrometer, the output spectral distribution is measured when the current is below the threshold and above the threshold. The influence of temperature on threshold current and output spectrum is studied by using a constant temperature controller. The research shows that the half width of spectrum is wide below threshold current. Above threshold current, laser output optical power increases rapidly and the half width of spectrum decreases; With the increase of temperature, threshold current of laser diode increases, output power decreases and the peak wavelength moves to long wavelength. Based on the experiment, the principle of laser diode and some basic optical concepts are deeply understood. The course content of science optics experiment is expanded.

laser diode; threshold current; spectrum characteristic; output optical power

2017-06-16

金佳，女，實驗員，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)及科研工作，研究方向為光學(xué),angelajinjia@163.com；李佛生，男，副教授，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)及科研工作，研究方向為激光冷卻，foshli@#edu.cn。

金佳，李佛生，馬寧生，等. 激光二極管的閾值電流與光譜特性研究[J]. 物理與工程，2017，27(5)：110-113.