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

(同濟大學物理科學與工程學院，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

(同濟大學物理科學與工程學院，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，光譜半高寬明顯減小；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。本實驗能讓學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概念，拓展了理科光學實驗的課程內容。

激光二極管；閾值電流；光譜特性；輸出光功率

物理實驗在大學課程中是一門基礎課程，可以培養學生的物理思維、獨立思考能力，增長他們的知識面等，對之后專業課的學習也會有一定的幫助。因此其課程內容需要不斷地拓展和豐富。在以往的理科光學實驗中，曾開設有發光二極管(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，對激光二極管進行研究。

激光二極管又稱半導體激光器，它具有體積小、價格低、功耗小、重量輕、易于進行光調制等優點，已被應用于光通信、醫療、科研、軍事等領域[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得到了很大的發展，目前已經進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內容，使學生理解自發輻射、受激輻射、激光二極管閾值電流、光功率、光強等基本概念，還可以激發他們深入研究此類器件的特性，為之后進行科研工作打下基礎。

1 實驗原理

激光二極管的電子和空穴在結區復合并輻射出光子，光子在輻射時存在兩種機制，自發輻射和受激輻射。當二極管的正向激勵電流小于閾值電流時，PN結內的電子、空穴濃度不夠大，其主要發光機制仍為自發輻射。這時不產生激光，而是發熒光，輸出光功率很小，發光特性和普通的發光二極管類似。當其正向電流大于閾值電流時，主要的發光機制為受激輻射，這時產生激光。當電流增大，輸出光功率會急劇增大。

圖1 雙異質結激光二極管(a) 在P型半導體和N型半導體材料之間夾一層激活層的雙異質結結構； (b) 能帶較窄的激活層折射率高于周邊材料； (c) 雙異質結結構在激活層的兩側對光波進行限制

在實際應用中通常用雙異質結激光二極管，即在構成PN結的P型半導體和N型半導體材料之間夾一層厚度約為0.1μm的半導體材料，稱為激活層，如圖1(a)。這種結構可以提高局部區域受激輻射強度，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域里，提高了受激輻射產生的概率。另一方面，激活層的折射率大于周邊材料，如圖1(b)，在光學增益區附近可以形成一個波導結構來增加光子濃度，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)、上海復享光學的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輸出光的光譜分布，觀察并記錄中心波長、半高寬的變化規律；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范圍內對應的輸出光功率值，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系曲線見圖2。可見曲線的前半段非常平坦，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，其交點對應的就是激光二極管的閾值電流。可知在沒達到閾值前激光器的輸出功率非常小，接近于零，此時激光器發出的是熒光；電流達到閾值之后輸出功率開始快速地呈線性增長，產生了激光輸出。通過擬合得到圖2中虛線的函數關系式為y=0.5204x-5.5451，相關系數R2=0.9997。閾值電流即為交點對應的電流，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系圖

圖3 不同溫度下電流與輸出光功率關系圖

圖4給出了當注入電流為8.0mA時，輸出光功率與溫度的變化曲線。由圖可見當溫度升高，輸出光功率有減小的趨勢。這是因為溫度升高導致二極管內部結溫升高，載流子的濃度降低，使得復合發光的效率下降，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，激光二極管的發光光譜會發生變化。圖5、圖6是激光二極管的光譜分布圖。當電流在閾值以下時，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。當電流達到閾值時，光譜的半高寬突然變窄，出射光強急劇增加，此時變為單模輸出[4]。發光機制以受激輻射為主，因而產生激光，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。總體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到閾值時的標志。

圖7 溫度和峰值波長關系曲線

3 實驗課程設計

本實驗作為理科光學實驗給物理專業大二的學生開設，占4個課時，實驗時間共180分鐘，其中包括教師進行實驗操作講解、檢查學生預習情況、學生進行實驗操作、處理實驗數據、完成實驗思考題、教師批閱學生實驗。物理專業的光學實驗課程每個學期平行開設有14個實驗項目，每個實驗都是4課時，學生們會以輪轉的形式完成所有的實驗項目和一個期末設計題。其中包括激光二極管特性測定、太陽能應用、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中都有教學視頻提供給學生，學生上實驗課之前可以登入到微課程系統提前進行預習。之后這個項目還會開設給工科的學生作為開放性實驗，旨在培養他們的發散性思維和綜合素質。

4 結語

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概念。本實驗也豐富了光學實驗的課程內容，讓學生在日常生活中碰到這類半導體器件時有全面的了解，并且促進他們更深入地研究此類器件的特性，為今后進行科研工作打下基礎。

[1] 馬寧生, 李佛生. 光學實驗[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2016: 167-168.

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

[3] Kasap S O. 光電子學與光子學的原理及應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2003: 181-192.

[4] Nagahama S, Yanamoto T, Sano M, et al. Wavelength Dependence of InGaN Laser Diode Characteristics[J]. Jpn.J.Appl.Phys. 2001, 40: 3075-3081.

[5] 潘英俊, 鄒建. 光電子技術[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 2000: 35-43.

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

[7] 于海鷹, 索林, 蘇美開, 等. 激光二極管熱特性測試[J]. 激光雜志. 2012, 33(1). Yu Haiying, Suo Lin, Su Meikai, et al. Thermal characteristic test on laser diode[J]. Laser Journal. 2012, 33(1). (in Chinese)

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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，主要從事大學物理實驗教學及科研工作，研究方向為光學,angelajinjia@163.com；李佛生，男，副教授，主要從事大學物理實驗教學及科研工作，研究方向為激光冷卻，foshli@tongji.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.