第四章 发光与耦合器件

1、主要内容主要内容 发光二极管的结构与工作原理 激光的产生 半导体激光器氦氖激光器 光电耦合器件 重点内容重点内容 发光二极管的结构与工作原理 半导体激光器 难点内容难点内容 激光的产生 2、ELED的工作原理的工作原理 当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空 穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p 与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。 3、SLED（正面发光型）的结构（正面发光型）的结构 出射光束时朗伯型，平行于PN结结平面的 方向光束发散角为1200，垂直于结平面的 方向，光束发散角为300。 %100 i e p P P 光学效率：外量子效率与内量子效率的比。 qi q

2、o o 量子效率：注入载流子复合而产生的光量子效率， 可分为内量子效率外量子效率。 内量子效率：辐射复合所产生的光子数与激发时 注入的电子空穴对数之比。 外量子效率：射出光子数与注入电子空穴对数之 比。 （2）用于显示 照明效率：辐射功率转换成光通量的效率。 流明效率：消耗单位功率所得到的光通量。 i L P F e b P F （2）发光光谱 相对强度 波长 GaAs0.6P0.4 GaP 发光二极管的峰值波长是 由材料的禁带宽度决定的。 当GaAs1-xPx 的x值不同时，峰值波长 在620680nm之间变化， 谱线半宽度大约为20 30nm，GaP发红光的峰 值波长在700nm附近， 半

3、宽度大约为100nm。 （四）伏安特性 电压 电流 mkT eV iiexp 0 复合因子 GaP(红色) GaP(绿色) GaAs1-xPx Ga1-xAlxAs 光强 电流强度 R dn e iB 七段式数码管 文字显示器的内部 接线 14划字码管 类型 出光面 尺寸 (um) 发射 波长 (nm) 光谱 宽度 (nm) 截止 频率 (MHz) 光纤 芯径 (um) 数值 孔径 耦合 方式 进纤 功率 (uw) “平底 碗”型 正面出 光 500.904025500.66 直接 耦合 1700 无波导 型侧面 出光() 0.05* 65 0.8230100900.14 直接 耦合 800

4、集成化 透镜型 正面出 光 401.27100501000.25 球端光 纤耦合 310 一、激光的产生 （一）受激辐射 1、自发辐射 2、受激吸收 3、受激辐射 1、产生稳定振荡的条件：腔长恰好等于辐 射光半波长的整数倍。 n mL 2 反射面 反射面 L m=1 m=2 nL mc 2 （四）产生激光的三个必要条件 需要泵源将处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能 态上； 实现粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗； 要有一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐 射的持续振荡。 K M2 M1 A T(套管) G（毛细管） 两个反射镜紧贴在放电管的两端，称为内腔式。 输出不稳定，受温度影响大，

5、但无需调整。 A D（放电管） B（布儒斯特窗） 两个反射镜与放电管完全分开装架，称为外腔式。 输出线偏振光，受温度影响小，但需经常调整，技 术复杂，使用不便。 K G T K A B M1 M2 一个紧贴放电管的一端，另一个与放电管分 开装架，称为半外腔式。集中了上两种方式 的优点。 X L 激光棒L放在螺旋状灯X的里面，棒的端面镀有反射膜。 M1 M2 L 激光棒放在椭圆柱面镜的一条焦线上， 作光泵用的氙灯放在另一条焦线上，两 反射镜与激光棒分离。 2、红宝石激光器 工作物质为掺有Cr2O3的人造宝石单晶； 辐射波长为694.3nm的激光； 特点： 较高的泵浦能量阈值； 峰值功率可达105

6、0mw，脉宽为10 20ns； 三能级系统 五、半导体激光器 1、PN结型半导体激光器的一般结构 法布里泊罗共振腔：将工作物质制成PN结并切成长方块， 为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料， 使费米能级分别进入导带及价带内。由一对相互平行的解理 面或抛物面构成，并与结平面垂直，这对平面构成了端部反 射器。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的 激光作用。这种结构叫法布里泊罗共振腔。 2、PN结型半导体激光器的工作原理 3、主要特性 （1）激光阈值条件及影响阈值得因素 光输出 电流 受激辐射 自发辐射 Ith 刚好抵偿吸收与损耗的光子 产生率叫阈值。 阈值电流：达到阈值增益

7、时 注入的电流密度。PN结型 LD室温下阈值电流很高， 且不能实现室温下连续振荡。 阈值电流 阈值电流 296k 195k 77k 4.2V 1/L 影响因素： 共振腔长度 温度 表面反射率 单轴向压力 外加磁场强度 （2）频谱分布 光强度 波长 100mA 82mA 10mA1 2 3 低于阈值时，自发 辐射，非相干光， 谱线宽，如1；高于 阈值时，发生共振， 谱线变窄，对应峰 值波长的频率为共 振频率（驻波频率） 如图2，3。 相对强度 波长 电流超过阈值时碲化铅二 极管的激光发射光谱 光强度 波长 59K 20K 2K 磷化铟激光二极管频谱分 布与温度的关系 4、异质结激光器 （1）单异

8、质结激光器 在GaAs的PN结上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs- AlxGa1-xAs异质结。由于GaAsAlxGa1-xAs禁带宽度不同， 因而在界面出形成了较高势垒，使从N-GaAs注入到P-GaAs 中的电子在继续向P-AlxGa1-xAs扩散时受到阻碍，同没有这 种势垒存在时比较，P-GaAs层内的电子浓度增加，辐射复 合的几率也提高了。再者，P型铝镓砷对来自P型GaAs的发 光吸收系数小，损耗也较小。由于铝镓砷的折射率较砷化镓 低，因而限制了光子进入铝镓砷区，使光受到反射面局限在 P-GaAs区内，从而少了周围非受激区对光的吸收。由于电 子光子在异质结面上都受到了限制，减小了

9、损耗，因而降 低了阈值。其结构图能带图如下： P-AlxGa1-xAs P-GaAs N-GaAs 异质结 PN结 结构图 电子 空穴 N-GaAs P-GaAs P-AlxGa1-xAs 2ev 1.5ev 能带图 单异质结激光器 分布反转区 低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为 8000A/cm2，但在温度变化下，阈值随温度变化小， 在室温下实现脉冲振荡。 （2）双异质结激光器 在GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs， 加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAsP-AlxGa1-xAs 界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs

10、层中 去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又 由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激 光器存在地空穴注入现象，使工作区电子，空穴浓度加大，复 合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变， 所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器 的阈值电流进一步降低到10003000A/cm2，实现了室温 下的连续振荡，且随温度变化也较小。其结构图能带图如下： P-AlxGa1-xAs N-AlxGa1-xAs GaAs 异质结 异质结 N GaAs P 空穴 电子 结构图 能带图 双异质结激光器 5、分布反馈（DFB）半导体激光器 （1

11、）结构（动态单纵模激光器） （2）光栅结构 （3）DFB与一般半导体激光器（多纵模振荡）的比较 nm /2 6、量子阱（QW）激光器 生长 方向 GaAs GaAlAs 衬 底 有源层是由两种不同材 料交替生长组成超薄层 一维周期结构，称为量 子阱激光器。当薄层的 周期厚度等特征尺寸 减小到电子平均自由程 （50nm）时，整个材 料的电子系统进入量子 领域，并产生量子尺寸 效应。 （1）结构 （2）超晶格结构 组分超晶格：将两种不同的半导体材料薄层做成重复相间 的多层结构长在一块晶体上，量子阱激光器就属于该种； 掺杂超晶格：由材料相同但掺杂类型不同的大量重复相间 薄层长在同一块单晶上形成。 （

12、3）优点 极低的阈值电流（0.55mA）且随温度变化极小，甚至预 言量子点（量子线，量子箱，量子阱）激光器不随温度变化； 高功率输出，可达10w； 高调制频率，窄的线宽。 国外半导体激光器的典型参数 激光器的 类型 阈值 电流 发射 波长 发散角 输 出 功 率 转换 效率 截止频率温度系数 AlGaAs/ GaAs 100 150 0.85 (1020) * (3050) 521100150 InGaAsP /InP 201.330*40510265 把发光器件与光敏元件封装在 仪器构成光电耦合器件。这种 器件在信息的传输过程中用光 作为媒介把输入边输出边的 电信号耦合在一起的，具有线 性变

13、化关系，且在电性能上是 完全隔离的。所以，我们把利 用光耦合做成的电信号传输器 件，一般称为光电耦合器件。 特点：特点： 具有电隔离功能；绝缘电阻高达10101012欧姆，击穿电压 高达10025千伏，耦合电容小到零点几个皮法； 信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟，数字 信号都适用； 具有抗干扰噪声的能力，可作为继电器变压器等使用； 响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级； 使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻， 抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在55到100摄 氏度之间。 二、特性参数 1、传输特性 IF IF IF Q3 Q2 Q Q1 IF1 IF

14、2 IF3 IF Vc Ic Ic1 Ic2 Ic3 在直流工作状态下，光电 耦合器件的集电极电流IC 与发光二极管的注入电流 IF之比，称为光电耦合器 件的电流传输比，用表示， 若有一工作点Q，则 %100 FQ cQ Q I I 工作点选择在输出特性 的不同位置时，具有不 同的值。故常用交流电 流传输比来表示： %100 F c I I IF T 在电流较小时，耦合器件 处于截止区， 值较小， 当电流变大后， 值变小， 器件处于线性工作状态， 但其变化量较小。 在零摄氏度以下， 值 随温度的升高而上升； 在零摄氏度以上，随温 度的升高而下降。 0 2、输入输出间绝缘耐压BVCFO 绝缘耐压

15、与电流传输比都与发光二极管光敏三极管之间的距 离有直接关系，且是一对矛盾体。当二者距离增大，绝缘耐压 提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘耐压降低，但电流传 输比却提高。 3、输入输出间绝缘电阻RFC 一般在1091013欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离 性能的好坏。 4、输入输出间绝缘寄生电容CFC 一般为几个皮法，影响器件的工作频率。 5、最高工作频率fM V V(t) RF C RFo EF Ec Rc C RL 测量器件最高工作频率的电路 向发光二极管送入幅度 相等而频率变化的交流 小信号，在光电耦合器 的输出端用交流电压表 测其交流输出电压值。 随着频率的增高，虽然电压幅度不变

16、，而输出幅度却下降 了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就 称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。 fMf 相对 输出 0.707 相对 输出 0.707 fM1fM2fM3 f RC1 RC2 RC3 6、脉冲上升时间下降时间 RFEc 接示 波器 测量脉冲响应时间的电路图 相对输入 t t tf t 相对 输出 1.0 0.9 0.1 0 （二）抗干扰特性强的原因 输入阻抗很低，而干扰源的内阻很大，从而能馈入器件输入 端的干扰噪声就变得很小； 虽然有较大的干扰电压，但干扰源的内阻很大，只能形成微 弱电流，不足以使发光二极管发光，从而避免干扰； 器件的输入输出边是用光耦合的，且密封在管壳中进行， 避免了外界光的干扰； 器件的输入输出间的寄生电容很小，绝缘