激光二極管的特性

激光二極管的特性1、伏安特性半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，具有單向?qū)щ娦?，其伏安特性與二極管相同。反向電阻大于正向電阻，可以通過用萬用表測(cè)正反向電阻確定半導(dǎo)體激光二極管的極性及檢查它的PN結(jié)好壞。但在測(cè)量時(shí)必須用1k以下的檔，用大量程檔時(shí)，激光器二極管的電流太大，容易燒壞。2、P—I特性激光二極管的出射光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線稱為P-I曲線。注入電流小于閾值電流Ith時(shí)，激光器的輸出功率P很小，為自發(fā)輻射的熒光，熒光的輸出功率隨注入電流的增加而緩慢增加。注入電流大于Ith時(shí)，輸出功率P隨注入電流的增加而急劇增加，這時(shí)P—I曲線基本上是線性的。當(dāng)I再增大時(shí)，P—I曲線開始彎曲呈非線性，這是由于隨著注入電流的增大，使結(jié)溫上升，導(dǎo)致P增加的速度減慢。判斷閾值電流的方法：在P—I特性曲線中，激光輸出段曲線的向下延長(zhǎng)線與電流軸的交點(diǎn)為激光二極管的閾值電流。3、光譜特性激光二極管的發(fā)射光譜由兩個(gè)因素決定：諧振腔的參數(shù)，有源介質(zhì)的增益曲線。腔長(zhǎng)L確定縱模間隔，寬W和高H決定橫模性質(zhì)。如果W和H足夠小，將只有單橫模TEM00存在。多模激光二極管在其中心波長(zhǎng)附近呈現(xiàn)出多個(gè)峰值的光譜輸出。單縱模激光器只有一個(gè)峰值。工作在閾值以上的1mm腔長(zhǎng)的增益導(dǎo)引LD的典型發(fā)射光譜激光二極管是單?；蚨嗄＿€與泵浦電流有關(guān)。折射率導(dǎo)引LD，在泵浦電流較小、輸出光功率較小時(shí)為多模輸出；在電流較大、輸出光功率較大時(shí)則變?yōu)閱文］敵?。而增益?dǎo)引LD，即使在高電流工作下仍為多模。折射率導(dǎo)引激光器光譜隨光功率的變化發(fā)射光譜隨注入電流而變化。I<It發(fā)熒光，譜線很寬；I>It發(fā)射激光，光譜突然變窄。因此，從激光二極管發(fā)射光譜圖上可以確定閾值電流。當(dāng)注入電流低于閾值電流時(shí)光譜很寬，當(dāng)注入電流達(dá)到閾值電流時(shí)，光譜突然變窄，出現(xiàn)明顯的峰值，此時(shí)的電流就是閾值電流。I<It自發(fā)輻射I>It激光輻射4、溫度特性半導(dǎo)體激光器的閾值電流隨溫度的升高而增加，變化關(guān)系可表示為：式中是衡量閾值電流對(duì)溫度變化敏感程度的參數(shù)——叫特征溫度，取決于器件的材料和結(jié)構(gòu)等因素，值越大，表示對(duì)溫度變化越不敏感，器件的溫度特性越好。A是常數(shù)。因隨溫度升高而增大，因此P—I特性曲線也隨溫度變化。隨著溫度升高，在注入電流不變的情況下，輸出光功率會(huì)變小。這就是為什么LD工作一段時(shí)間后輸出功率會(huì)下降。閾值—溫度特性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般說，異質(zhì)結(jié)構(gòu)比同質(zhì)結(jié)的溫度特性好。溫度變化還將引起激光器輸出光譜的改變，出現(xiàn)跳模（modehop）現(xiàn)象。原因：溫度改變，使腔的參數(shù)（折射率，腔長(zhǎng)）發(fā)生較大變化，引起激發(fā)模式發(fā)生變化。在模式跳躍之前，因折射率和腔長(zhǎng)隨溫度升高而有少量增加，致使波長(zhǎng)隨溫度升高而緩慢增大（下圖a）。如要避免跳模，必須增大模式間隔（下圖b）。對(duì)于多模增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)隨溫度的變化是由于帶隙隨溫度變化而產(chǎn)生的，溫度變化主要影響光增益曲線而不是腔的參數(shù)，因此變化曲線是連續(xù)的(下圖c)。半導(dǎo)體激光器必須加制冷器，進(jìn)行溫度控制。5、方向特性半導(dǎo)體激光器在系統(tǒng)中使用時(shí)要與光纖耦合，因?yàn)楣饫w的芯徑很?。ㄎ⒚准?jí)），為了能有較多的光能量耦合進(jìn)光纖，希望輸出的激光發(fā)散角很小，最好是正入射進(jìn)光纖。發(fā)散角越小，表明激光的方向性越好，能量越集中。半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)是一個(gè)矩形諧振腔，其體積很小。w,d是與激光波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)的，因此光出射面對(duì)光的作用相當(dāng)于一個(gè)狹縫，對(duì)光有衍射作用。光的輻射圖樣就是狹縫的衍射圖形。光束的發(fā)散角取決于衍射角，與端面的尺寸有關(guān)，發(fā)散角兩個(gè)方向不同。下圖是在正向方向LD的輻射束與平行和垂直于芯片表面的光功率強(qiáng)度分布圖，該圖亦稱遠(yuǎn)場(chǎng)圖案。光束在與p-n結(jié)垂直方向的半功率點(diǎn)的張角叫做垂直發(fā)散角；光束在平行于p-n結(jié)方向的半功率點(diǎn)的張角叫水平發(fā)散角。一般半導(dǎo)體激光器的在20°～30°范圍；在幾度～十幾度。半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角相對(duì)于其他種類的激光器要大，因此其方向性較差。6、功率效率半導(dǎo)體激光器的功率效率可用兩個(gè)參數(shù)表示：斜率效率(slopeefficiency)，轉(zhuǎn)換效率(conversionefficiency)。斜率效率：激光器輸出光功率與閾值之上的二極管電流之比。單位：W/A，典型值小于1W/A。轉(zhuǎn)換效率：輸出光功率與二極管電功率之比。V：p-n結(jié)上的正向電壓。激光器的電阻雖然不大，但電流很大，所以其上消耗的電功率不能忽略，因此激光器發(fā)熱較厲害。典型值在30%-40%之間。四、穩(wěn)態(tài)（steadystate）半導(dǎo)體速率方程（rateequations）(p192-194)1、速率方程：泵浦速率與輻射速率的關(guān)系在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，有源區(qū)中電子的注入速率應(yīng)等于自發(fā)輻射速率加上受激輻射復(fù)合速率（忽略非輻射復(fù)合），即左邊：電子注入速率，I：注入電流。d，L，W分別為有源層的厚度、長(zhǎng)度和寬度。右邊第一項(xiàng)：自發(fā)輻射速率，n：注入電子濃度，：電子在上能級(jí)停留的時(shí)間，即產(chǎn)生自發(fā)輻射復(fù)合前的平均壽命。右邊第二項(xiàng)：受激輻射速率，Nph：有源區(qū)中的相干光子密度，C：常數(shù)。當(dāng)注入電流增加時(shí)，泵浦增強(qiáng)，使Nph增加，最終，受激輻射占統(tǒng)治地位，自發(fā)輻射可忽略不計(jì)。輸出光功率正比于Nph。2、光子壽命光在腔中的損耗包括：散射、吸收、端面的透射，所有損耗用衰減系數(shù)表征。光在腔中有損耗，說明光子在腔內(nèi)有一定的壽命，αt越大，壽命越短。設(shè)光子數(shù)密度為Nph,無增益時(shí)，光子數(shù)密度隨傳輸距離的變化關(guān)系可以表示成Nph0：初始光子數(shù)密度因，np：折射率，令光子密度隨時(shí)間的變化：：光子平均壽命，光子從產(chǎn)生到在腔內(nèi)消失的平均時(shí)間。3、閾值電流穩(wěn)態(tài)時(shí)，腔內(nèi)光子的損耗率等于受激輻射速率，即閾值電子濃度當(dāng)時(shí)才開始有激光出射，在閾值以下時(shí)，主要是自發(fā)輻射，Nph＝0。因此計(jì)算Ith時(shí)，忽略受激輻射，由速率方程得：閾值電流所以閾值電流隨著有源層的長(zhǎng)寬高的減小而降低。4、輸出光功率注入電流大于閾值時(shí)，形成激光振蕩。穩(wěn)定振蕩時(shí)，閾值之上的電子將引起更強(qiáng)的受激輻射，使電子濃度降低，因此電子濃度鎖定在。超過閾值的電流