激光二极管的特性

激光二极管的特性
1、伏安特性
半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。

反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。

但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。

2、P—I特性
激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。

注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输
出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输
出功率随注入电流的增加而缓慢增加。

注入电流大于Ith时，输出功率P随注入
电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上
是线性的。

当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。

判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。

3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。

腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。

如果W和H
足够小，将只有单横模TEM00存在。

多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。

单纵模激光器只有一个峰值。

工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱
激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。

折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。

而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。

折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。

I<It 发荧光，谱线很宽；I>It 发射激光，光谱突然变窄。

因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。

当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。

I<It 自发辐射 I>It 激光辐射
4、温度特性
半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为：
)/exp(
)(0T T A T I th 式中0T 是衡量阈值电流th I 对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，0T 值越大，表示th I 对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。

A 是常数。

因th I 随温度升高而增大，因此P —I 特性曲线也随温度变化。

随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。

这就是为什么LD 工作一段时间后输出功率会下降。

阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温
度特性好。

温度变化还将引起激光器
输出光谱的改变，出现跳模
（mode hop ）现象。

原因：温
度改变，使腔的参数（折射率，
腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。

在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a ）。

如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b ）。

对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。

半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。

5、方向特性
半导体激光器在系统中使用时要与光纤耦合，因为光纤的芯径很小（微米级），为了能有较多的光能量耦合进光纤，希望输出的激光发散角很小，最好是正入射进光纤。

发散角越小，表明激光的方向性越好，能量越集中。

半导体激光器的有源区是一个矩形谐振腔，其体积很小。

w, d 是与激光波长同数量级的，因此光出射面对光的作用相当于一个狭缝，对光有衍射作用。

光的辐射图样就是狭缝的衍射图形。

光束的发散角取决于衍射角，与端面的尺寸有关，发散角两个方向不同。

下图是在正向方向LD的辐射束与平行和垂直于芯片表面的光功率强度分布图，该图亦称远场图案。

光束在与p-n结垂直方向的半功率点的张角叫做垂直发散角⊥θ；
光束在平行于p-n结方向的半功率点的张角叫水平发散角//θ。

一般半导体激光器的⊥θ在20°～30°范围；//θ在几度～十几度。

半导体激光器的发散角相对于其他种类的激光器要大，因此其方向性
较差。

6、功率效率
半导体激光器的功率效率可用两个参数表示：斜率效率(slope efficiency)，转换效率(conversion efficiency)。

斜率效率：激光器输出光功率与阈值之上的二极管电流之比。

th I I P
slope -=η
单位：W/A ，典型值小于1W/A 。

转换效率：输出光功率与二极管电功率之比。

IV p P ＝消耗的电功率输出的光功率=η
V ：p-n 结上的正向电压。

激光器的电阻虽然不大，但电流很大，所以其上消耗的电功率不能忽略，因此激光器发热较厉害。

典型值在30%-40%之间。

四、稳态（steady state ）半导体速率方程（rate equations ）
(p192-194)
1、速率方程：泵浦速率与辐射速率的关系
在稳定工作状态下，有源区中电子的注入速率应等于自发辐射速率加上受激辐射复合速率（忽略非辐射复合），即
ph sp
CnN n edLW I +=τ 左边：电子注入速率，I ：注入电流。

d ，L ，W 分别为有源层的厚度、长度和宽度。

右边第一项：自发辐射速率，n ：注入电子浓度，sp τ：电子在上能级停留的时间，即产生自发辐射复合前的平均寿命。

右边第二项：受激辐射速率，Nph ：有源区中的相干光子密度，C ：常数。

当注入电流增加时，泵浦增强，使Nph 增加，最终，受激辐射占统治地位，自发辐射可忽略不计。

输出光功率正比于Nph 。

2、光子寿命
光在腔中的损耗包括：散射、吸收、端面的透射，所有损耗用衰减系数t α表征。

光在腔中有损耗，说明光子在腔内有一定的寿命，αt 越大，寿命越短。

设光子数密度为Nph, 无增益时，光子数密度随传输距离的变化关系可以表示成
)
exp(0z N N t ph ph α-= Nph0：初始光子数密度 因t n c z p =，np ：折射率， 令 c n t p ph ατ=
光子密度随时间的变化 ：
)exp()exp(00ph ph p t ph ph t N t n c
N N τα-=-= ph τ：光子平均寿命，光子从产生到在腔内消失的平均时间。

3、阈值电流
稳态时，腔内光子的损耗率等于受激辐射速率，即 ph ph ph
CnN N =τ
阈值电子浓度 ph th C n τ1
=
当th I I =时才开始有激光出射，在阈值以下时，主要是自发辐射，Nph ＝0。

因此计算Ith 时，忽略受激辐射，由速率方程得：
阈值电流 th sp th n edLW I τ=
所以阈值电流随着有源层的长宽高的减小而降低。

4、输出光功率
注入电流大于阈值时，形成激光振荡。

稳定振荡时，阈值之上的电子将引起更强的受激辐射，使电子浓度降低，因此电子浓度n 锁定在th n 。

超过阈值的电流使受激辐射的光子数密度增加，由速率方程和阈值电流得 ph th th N Cn edLW I I =-
)()(th ph
th ph
ph J J ed I I edLW N -=-=ττ
输出光功率正比于Nph 。

从统计的角度
考虑，任意时刻，腔内只有一半的光子向一
个输出端面运动，从端面输出的比率为（1－R ），因此输出光功率
)1(21R t WdLhv N P ph o -∆=
t ∆是光子经过腔长L 的时间，c L
n t p =∆。

)
(2)1()(2)1(2th p ph th p ph o J J en R W hc J J en R W chv P --=--=
λττ 理想情况下输出光功率、电子浓度与注入电流的关系。