PDF《980nm 半导体激光二极管的温度特性》

第36卷第7期 激光与红外Vol .

36,No.

7 2006年 7月 LASER & I NFRARED July,

2006 文章编号 :

10012 5078 (2006)

072 05582

03 980nm半导体激光二极管的温度特性 韦文生 (温州大学物理与电子信息学院 ,浙江 温州 325025) 摘要:测试并分析了 980nm半导体激光二极管 ( SLD)模块的输出光功率、 光谱和消光比与 注入电流及温度的变化关系.结果反映 :在测试范围内 ,温度不变时该模块的输出光功率随注 入电流的增大而增加 ,经历了自发辐射和受激放大过程 ;

电流不变时该输出光功率随管芯温度 的变化基本保持稳定.温度不变的情况下 ,当注入电流小于阈值电流时 ,峰值波长、 3dB 带宽 和消光比随注入电流的增大而较快增加 ,当注入电流大于阈值电流时 ,峰值波长、 3dB 带宽和 消光比随注入电流的增大而缓慢增加 ;

电流不变时峰值波长、 3dB带宽和消光比随温度升高而 有所增大. 关键词 :半导体激光二极管 ;

光谱 ;

输出功率 ;

消光比 中图分类号 : TN248.

4 文献标识码 : A Temperature Characteristics of 980nm Sem iconductor Laser D iode W E IW en2sheng (School of Physics & Electronic Information, W enzhou University, W enzhou 325000, China) Abstract: The output optical power, spectra and extinction ratio of a

980 nm sem iconductor laser diode (SLD) mod2 ule were measured and analyzed when the SLD was operated with different current at different temperature. The re2 sults show that the SLD is a threshold device, its output optical power increases with the operation current and does weakly change with temperature. The peak wavelength, 3dB bandwidth and extinction ratio increase sharply with the operation current when it' s lower than threshold current, while they increase slowly with the operation currentwhen it 's higher than threshold current at same temperature. The peak wavelength, 3dB bandwidth and extinction ratio in2 crease with rising the temperature at same operation current . Key words: sem iconductor laser diode;

op tical spectrum;

output optical power;

extinction ratio

1 引言波长为 980nm 的半导体激光二极管是超荧光 光纤激光器和掺铒光纤放大器 [

1 -

3 ] 的泵浦源.半导 体激光器的光谱、 输出光功率和偏振态等性能参数 对温度的变化十分敏感.已有的文献 [

4 -

5 ]或者 产品使用说明书中 ,只提供某个固定温度的性能参 数 ,没有反映温度的变化对性能的影响.少量文献 [

6 ]提到了变温的输出光功率 ― 工作电流的关系 , 而没有研究温度改变时光谱和偏振态等性能参数随 着工作电流的变化.在实际应用此 SLD 模块的精 密系统中 ,必须准确掌握这些参数随温度变化的规 律 ,作为了解其性能特点以及设计模块的温控电路 和光控电路的参考 ,并根据应用系统的实际需要设 置该 SLD的工作点 ,调试系统达到最佳性能.一般 地,980nm SLD 是在室温 (25℃)下工作的.本文 中 ,在室温附近不同温度下测试了该 SLD 模块的光 谱、 输出功率和消光比 ,发现这些参数随工作电流和 温度的变化而漂移 ,分析了引起这些漂移的物理本 质 ,可以作为实际应用的参考.

2 980nm LD泵浦源模块的性能测试 本测试所用的 SLD 模块中 , 管芯为 InGaA s/ GaA s单量子阱 (QW ) 结构 , 设计峰值波长 约为 980nm.在管芯的出光端面蒸镀了保护膜 ,减小光 损伤 ,提高器件的可靠性并延长寿命.980nm 的SLD模块是采用标准工艺在 8针蝶型金属管壳中封 基金项目 :本课题得到高校博士点基金 (200220006037) ;

北京 航空航天大学博士生基础性研究基金的资助. 作者简介 :韦文生 (1966 - ) ,副教授 ,博士 ,主要研究方向是低 维半导体材料及其器件 ,光电集成. 收稿日期 :

20052 112

15 装的.管壳内装配了半导体热电制冷器、 热沉、 SLD 管芯、 热敏电阻等部件.用熊猫型保偏光纤与 SLD 管芯耦合输出激光 ,支撑光纤的金属支架用激光焊 接固定.模块外型如图 1所示. 图18针碟型封装 SLD模块的结构 Fig .

1 diagram of SLD module with

82 pin2butterfly package 测试过程中 ,模块在恒流驱动 +温控条件下工 作 ,恒流精度优于 0. 1% ,温度漂移 ≤0. 1℃,因此可 以忽略测试过程中管芯与光纤头之间的相对位移. 用温控电路实现了本测试所需的变温环境 ;

光谱是 用Agilent 86142B 型光谱分析仪测试的 ;

输出光功 率是用 I LX L ightwave EPM8200型光功率计测试的 ;

消光比是用 ER - 100型消光比仪测试的.

3 结果与讨论 3.

1 SLD的输出光功率与工作电流和温度的关系 图 2是不同温度下 SLD的输出光功率 ( P)与注 入电流 ( I)的P-I关系图.图中显示了明显的阈值 特性 ,这是因为有源区的前后端的谐振腔共振放大 所致.注入电流 I小于 Ith时,SLD有源区的导带电 子自发跃迁与价带空穴复合而发光 ,因此输出光功 率很低.随着注入电流的增大 ,载流子浓度增加 ,这 种自发辐射有所增强 ,所以光功率缓慢增加.而I大于阈值电流后 ,受激辐射产生 ,输出光功率 P随I线性增加. operation current/mA 图2不同温度下 SLD的P-I关系 Fig .

2 P - I curve for SLD at different temperature 随管芯温度变化 ,受激辐射 SLD 的P-I曲线 的斜率效率 ( dP /dI)基本不变 ,阈值电流随温度的 变化不明显 ,因为 QW 的二维电子气系统中 ,台阶状 的态密度分布受温度的影响不敏感 [

7 ] . 3.

2 SLD的光谱与工作电流和温度的关系 图 3与图 4分别是不同温度下 SLD 的峰值波 长(λ p )和光谱的 3dB带宽与工作电流 I的关系图. 图 3明显地表明了峰值波长随注入电流的增加而增 大.载流子浓度随着电流增加而增大 ,因此导带谷 下降,能隙变窄,这是载流子效应.根据λ= 1.

24 /Eg (μm) ,激发光谱的峰值波长变大.注 入电流小于 Ith时 ,载流子浓度低 ,载流子效应占优 , 电流的热效应可以忽略 ,所以峰值波长增加很快. 当注入电流大于 Ith后,SLD 出现受激辐射 ,有源层 的载流子浓度不再变化 ,载流子效应可忽略.随着 电流增加 ,电子进入导带的高能带 ,称为带填充效 应 ,将导致峰值波长变小.但随着工作电流的增加 , 管芯有源区的有效温度升高.结区的温度高出热沉 的温度差 ΔT可表示为 [

8 ] : ΔT = ( I

2 Rs + IVj ) < (1 -ηP ) D (1) 式中 , I是注入电流 ;

Rs 是SLD的电阻 ;

Vj 是它的结 电压 ;