激光二极管的阈值电流与光谱特性研究

金 佳 李佛生 马宁生 方 恺

(同济大学物理科学与工程学院，上海 200092)

激光二极管的阈值电流与光谱特性研究

金 佳 李佛生 马宁生 方 恺

(同济大学物理科学与工程学院，上海 200092)

本文研究了激光二极管的阈值电流特性，利用光纤光谱仪测量了阈值电流两侧输出光的光谱分布；利用恒温控制仪改变温度，研究温度对阈值电流和输出光光谱的影响。本文研究表明：在电流没有达到阈值时，光谱的半高宽很宽，电流大于阈值后，激光输出功率迅速增大，光谱半高宽明显减小；随着温度的升高，激光二极管的阈值电流会增大，输出光功率减小，峰值波长向长波长移动。本实验能让学生更深刻地理解激光二极管的工作原理以及一些基本的光学概念，拓展了理科光学实验的课程内容。

激光二极管；阈值电流；光谱特性；输出光功率

物理实验在大学课程中是一门基础课程，可以培养学生的物理思维、独立思考能力，增长他们的知识面等，对之后专业课的学习也会有一定的帮助。因此其课程内容需要不断地拓展和丰富。在以往的理科光学实验中，曾开设有发光二极管(LED)光谱测量实验，而如今激光二极管的使用越来越普及，由此想到可以类比于LED，对激光二极管进行研究。

激光二极管又称半导体激光器，它具有体积小、价格低、功耗小、重量轻、易于进行光调制等优点，已被应用于光通信、医疗、科研、军事等领域[1]。自激光二极管问世近几十年来，它不管在研究上还是性能上都已经得到了很大的发展，目前已经进入了人们的日常生活[2]。本文研究了激光二极管的阈值电流特征，分析了阈值电流两侧输出光的光谱分布特征。利用恒温控制仪改变温度，深入研究了温度的变化对阈值电流、输出光功率、峰值波长的影响。这些工作不仅丰富了普通物理实验的教学内容，使学生理解自发辐射、受激辐射、激光二极管阈值电流、光功率、光强等基本概念，还可以激发他们深入研究此类器件的特性，为之后进行科研工作打下基础。

1 实验原理

激光二极管的电子和空穴在结区复合并辐射出光子，光子在辐射时存在两种机制，自发辐射和受激辐射。当二极管的正向激励电流小于阈值电流时，PN结内的电子、空穴浓度不够大，其主要发光机制仍为自发辐射。这时不产生激光，而是发荧光，输出光功率很小，发光特性和普通的发光二极管类似。当其正向电流大于阈值电流时，主要的发光机制为受激辐射，这时产生激光。当电流增大，输出光功率会急剧增大。

图1 双异质结激光二极管(a) 在P型半导体和N型半导体材料之间夹一层激活层的双异质结结构； (b) 能带较窄的激活层折射率高于周边材料； (c) 双异质结结构在激活层的两侧对光波进行限制

在实际应用中通常用双异质结激光二极管，即在构成PN结的P型半导体和N型半导体材料之间夹一层厚度约为0.1μm的半导体材料，称为激活层，如图1(a)。这种结构可以提高局部区域受激辐射强度，从而减小阈值电流密度。由于激活层能带较窄，大量的电子和空穴就被限制在这个很窄的区域里，提高了受激辐射产生的概率。另一方面，激活层的折射率大于周边材料，如图1(b)，在光学增益区附近可以形成一个波导结构来增加光子浓度，从而提高受激辐射的概率，如图1(c)[3]。

2 实验内容

本实验用到的实验仪器有激光二极管(波长为650nm，额定功率为5mW)、上海复享光学的E820光纤光谱仪(分辨率为0.62nm)、恒温控制仪、激光功率计、恒流源、计算机等。具体的实验步骤是：首先测量激光二极管的正向电流—输出光功率关系曲线，求出其电流阈值；然后利用光纤光谱仪测量并比较阈值电流两侧输出光的光谱分布，观察并记录中心波长、半高宽的变化规律；最后用恒温控制仪改变二极管温度，观察温度的变化对其阈值电流以及输出光谱的影响。

2.1 测量激光二极管的阈值电流

利用光功率计，测量了电流在0.0～16.0mA范围内对应的输出光功率值，得到了室温下(22℃)激光二极管正向激励电流与输出光功率的关系曲线见图2。可见曲线的前半段非常平坦，后半段接近线性增长。把曲线后半段延长线与电流轴相交，如图上虚线所示，其交点对应的就是激光二极管的阈值电流。可知在没达到阈值前激光器的输出功率非常小，接近于零，此时激光器发出的是荧光；电流达到阈值之后输出功率开始快速地呈线性增长，产生了激光输出。通过拟合得到图2中虚线的函数关系式为y=0.5204x-5.5451，相关系数R2=0.9997。阈值电流即为交点对应的电流，大小等于10.7mA。

图2 激光二极管正向激励电流与输出光功率关系图

图3 不同温度下电流与输出光功率关系图

图4给出了当注入电流为8.0mA时，输出光功率与温度的变化曲线。由图可见当温度升高，输出光功率有减小的趋势。这是因为温度升高导致二极管内部结温升高，载流子的浓度降低，使得复合发光的效率下降，输出光功率减小。这就是为什么激光二极管工作一段时间后其输出功率会下降。

图4 电流为8.0mA时，温度与光功率关系曲线

2.2 激光二极管的光谱特性

图5 电流低于阈值时的光谱分布图

图6 电流高于阈值时的光谱分布图

随着注入电流的变化，激光二极管的发光光谱会发生变化。图5、图6是激光二极管的光谱分布图。当电流在阈值以下时，光谱的半高宽很宽，相对光强很弱，此时为多模输出，如图5所示。由光谱仪读出此时(注入电流为9.0mA)光谱的半高宽为11.84nm。随着电流的增大，光谱的宽度会慢慢变窄。当电流达到阈值时，光谱的半高宽突然变窄，出射光强急剧增加，此时变为单模输出[4]。发光机制以受激辐射为主，因而产生激光，其光谱分布如图6所示。由光谱仪读出此时(注入电流为11.0mA)光谱的半高宽为2.30nm。总体来说随着注入电流的增大，光谱的半高宽有一个递减的趋势。比较两幅图可以看出，光谱半高宽变窄，相对光强骤增是激光二极管达到阈值时的标志。

图7 温度和峰值波长关系曲线

3 实验课程设计

本实验作为理科光学实验给物理专业大二的学生开设，占4个课时，实验时间共180分钟，其中包括教师进行实验操作讲解、检查学生预习情况、学生进行实验操作、处理实验数据、完成实验思考题、教师批阅学生实验。物理专业的光学实验课程每个学期平行开设有14个实验项目，每个实验都是4课时，学生们会以轮转的形式完成所有的实验项目和一个期末设计题。其中包括激光二极管特性测定、太阳能应用、X光实验、显微镜实验、CCD测量等等。所有的实验项目在微课程系统中都有教学视频提供给学生，学生上实验课之前可以登入到微课程系统提前进行预习。之后这个项目还会开设给工科的学生作为开放性实验，旨在培养他们的发散性思维和综合素质。

4 结语

本实验研究了激光二极管的阈值电流特性和光谱特性，通过实验，让学生更深刻更形象地理解激光二极管的工作原理以及一些基本的光学概念。本实验也丰富了光学实验的课程内容，让学生在日常生活中碰到这类半导体器件时有全面的了解，并且促进他们更深入地研究此类器件的特性，为今后进行科研工作打下基础。

[1] 马宁生, 李佛生. 光学实验[M]. 上海: 同济大学出版社, 2016: 167-168.

[2] 陆廷济, 胡德敬, 陈铭南. 物理实验教程[M]. 上海: 同济大学出版社, 2000: 322-323.

[3] Kasap S O. 光电子学与光子学的原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 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, 邹建. 光电子技术[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 2000: 35-43.

[6] 张季熊. 光电子技术原理与教程[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2001: 190-201.

[7] 于海鹰, 索林, 苏美开, 等. 激光二极管热特性测试[J]. 激光杂志. 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，实验员，主要从事大学物理实验教学及科研工作，研究方向为光学,angelajinjia@163.com；李佛生，男，副教授，主要从事大学物理实验教学及科研工作，研究方向为激光冷却，foshli@tongji.edu.cn。

金佳，李佛生，马宁生，等. 激光二极管的阈值电流与光谱特性研究[J]. 物理与工程，2017，27(5)：110-113.