光电子第三章

1、第三章第三章发光二极管及其组件发光二极管及其组件目目 录录n 光纤通信对半导体光源的要求光纤通信对半导体光源的要求 n 发光二极管（发光二极管（LEDLED）结构和工作原理）结构和工作原理n LEDLED的基本特性的基本特性n超辐射发光二极管（超辐射发光二极管（SLDSLD） 一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求n 光纤通信是以光波为载波，以光导纤维（简称光纤）为光纤通信是以光波为载波，以光导纤维（简称光纤）为传输媒质的一种通信方式。传输媒质的一种通信方式。n 目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为为0.81.

2、8 m。 短波长波段：短波长波段：0.85 m； 长波长波段：长波长波段：1.3 m和和1.55 m。光纤通信的特点（1 1）传输频带宽，通信容量大。）传输频带宽，通信容量大。n 信息理论：载波频率越高通信容量越大。信息理论：载波频率越高通信容量越大。目前使用的目前使用的光波频率比微波频率高光波频率比微波频率高10104 410105 5倍，通信容量约可增加倍，通信容量约可增加10104 410105 5倍。倍。n 在波长在波长1.21.71.21.7 m m之间具有之间具有5050THzTHz的频带宽度，相当于的频带宽度，相当于可同时传输可同时传输3.43.4亿话路。亿话路。一、光纤通信对半

3、导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求（2）损耗低。）损耗低。n 目前制成的目前制成的SiO2石英玻璃介质的纯净度极高，光纤的损耗石英玻璃介质的纯净度极高，光纤的损耗极低。在光波长极低。在光波长 =1.55 m附近，损耗低至附近，损耗低至0.15dB/km，已接近理论值。已接近理论值。n 电缆：电缆： 510dB/km。（3）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。光纤是非金属的介质材料，不受电磁干扰。光纤是非金属的介质材料，不受电磁干扰。（4）线径细、重量轻，便于运输和铺设。）线径细、重量轻，便于运输和铺设。光纤直径只有光纤直径只有0.1mm左右，在长途干线或市内干线上，空左右，在长途干线或市内干线

4、上，空间利用率高，且便于制造多芯光缆。间利用率高，且便于制造多芯光缆。一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求（5）保密性强。）保密性强。电缆传输：信号容易通过光电磁感应被窃听；电缆传输：信号容易通过光电磁感应被窃听；光缆传输：光波不受此类干扰，光波被分光很容易被探测。光缆传输：光波不受此类干扰，光波被分光很容易被探测。（6）节省战略物资。）节省战略物资。电缆需要耗费大量的铜、银等金属材料，铜等金属是重要电缆需要耗费大量的铜、银等金属材料，铜等金属是重要的战略物资；而石英光纤是的战略物资；而石英光纤是SiO2材料制作的，资源丰富。材料制作的，资源丰富。一、光纤通信对半导体光

5、源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求光纤的缺点：光纤的缺点：n 质地脆、机械强度低；质地脆、机械强度低；n 要求比较好的切断、连接技术；要求比较好的切断、连接技术；n 分路、耦合比较麻烦。分路、耦合比较麻烦。一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统主要由光发射机、传输介质（光纤）和光接光纤通信系统主要由光发射机、传输介质（光纤）和光接收机等组成。收机等组成。光发射机光发射机光光纤纤信号处理信号处理光接收机光接收机输输 入入输输 出出一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求n 光发射机光发射机是由将

6、带有信息的是由将带有信息的电信号转换成光信号的电信号转换成光信号的转换转换装置装置和将光信号送人光纤的和将光信号送人光纤的传输装置传输装置组成。组成。n 光发射组件光发射组件是光发射机的主是光发射机的主要部件，而要部件，而光源（包括半导光源（包括半导体光发射二极管和激光二极体光发射二极管和激光二极管）是核心。管）是核心。光发射机光发射机光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求 任何光通信系统中，光源是一个关键部件。光源必须满任何光通信系统中，光源是一个关键部件。光源必须满足如下原则：足如下原则：n光源的激射波长必须在传输光纤的低损

7、耗窗口波段：光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段：0.85 m、1.3 m和和1.55 mn光源的发射功率要大；光源的发射功率要大；n调制特性和响应速度特性要好；调制特性和响应速度特性要好；n可靠性要高，寿命要长；可靠性要高，寿命要长；n光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环境变化；光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环境变化；n能批量生产，价格便宜。能批量生产，价格便宜。光纤通信系统中的光源光纤通信系统中的光源一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求半导体光源的优点：半导体光源的优点：n发光光谱发光光谱范围范围能与光纤的各个低损耗、低色散能与光纤的各个低损耗、低色

8、散窗口窗口对应。对应。n不仅具有较高的发射功率而且还与光纤间有较高的耦合效率。不仅具有较高的发射功率而且还与光纤间有较高的耦合效率。n调制简单，在中、低速调制时，可进行直接调制，无须外部光调制简单，在中、低速调制时，可进行直接调制，无须外部光调制器。调制器。n可靠性极高，可靠性极高，LED的寿命可达的寿命可达106小时以上，激光二极管的寿小时以上，激光二极管的寿命可命可105小时以上。小时以上。n体积小，可与电子线路进行混合集成或单片集成，构成光电子体积小，可与电子线路进行混合集成或单片集成，构成光电子集成的光发射机。集成的光发射机。一、光纤通信对半导体光源的要求一、光纤通信对半导体光源的要求

9、n成本低、驱动电流小成本低、驱动电流小n但 输 出 功 率 有 限但 输 出 功 率 有 限（ 临临时，满足这样条件的光波将在有时，满足这样条件的光波将在有源区内传播。源区内传播。当当 n2。同质结的缺点：同质结的缺点： n1 n2，所以异质结是很好的选择。所以异质结是很好的选择。边发光型边发光型二、发光二极管结构和工作原理二、发光二极管结构和工作原理n p区和区和n区人为形成一层发光区（有源区）区人为形成一层发光区（有源区）目的：限定发光区域目的：限定发光区域面发光型面发光型二、发光二极管结构和工作原理二、发光二极管结构和工作原理LED的结构的结构面发光型面发光型边发光型边发光型LED的结构

10、的结构二、发光二极管结构和工作原理二、发光二极管结构和工作原理光通信系统中的光通信系统中的LEDGaAlAs/GaAs0.8 0.95 m（0.85 m）InGaAsP/InP0.91.70 m（1.3 m、1.55 m） 二、发光二极管结构和工作原理二、发光二极管结构和工作原理三、三、LED的基本特性的基本特性电学特性电学特性显示显示LED上电流随电压的变化关系。上电流随电压的变化关系。光学特性光学特性显示显示LED的发光强度、光谱的峰值波长、谱宽，的发光强度、光谱的峰值波长、谱宽，可以了解其发光的颜色、模式等特性。可以了解其发光的颜色、模式等特性。光电转换特性光电转换特性表明器件的量子效率

11、、能量转换效率。表明器件的量子效率、能量转换效率。LED光谱特性光谱特性 p：峰值波长峰值波长= 2- 1：谱宽：谱宽由于是自发发射，导带和价带中都包含很多能级，复合发由于是自发发射，导带和价带中都包含很多能级，复合发光的光子能量有一个较宽的范围，造成谱线较宽。光的光子能量有一个较宽的范围，造成谱线较宽。=1.24/E三、三、LED的基本特性的基本特性1. LED发射的是自发辐射光，谱线较宽。发射的是自发辐射光，谱线较宽。 GaAlAs/GaAs LED：3050 nm InGaAsP/InP LED： 60 120 nm2. 器件温度升高，峰值波长向长波方向移动。器件温度升高，峰值波长向长波

12、方向移动。 GaAlAs/GaAs LED：0.2 0.3 nm/ C InGaAsP/InP LED： 0.3 0.5 nm/ CLED光谱特性光谱特性三、三、LED的基本特性的基本特性LED伏安特性伏安特性理想伏安特性曲线理想伏安特性曲线) 1(kTqVseJJ三、三、LED的基本特性的基本特性LED的的P-I特性特性P-I特性：光输出功率与注入电流的关系曲线特性：光输出功率与注入电流的关系曲线驱动电流较小时驱动电流较小时：P-I曲线的线性较好；曲线的线性较好；电流过大时：电流过大时：由于由于P-N结发热产生饱和现象，结发热产生饱和现象，使使P-I曲线的斜率减小。曲线的斜率减小。在通常情况

13、下，在通常情况下，LED的工作电流为的工作电流为50100mA，输出光功输出光功率为几个率为几个mW。三、三、LED的基本特性的基本特性LED的的P-T特性特性光功率光功率P温度系数温度系数TPP P：输出光功率的输出光功率的改变量改变量 T：温度改变量温度改变量三、三、LED的基本特性的基本特性LED的光强空间分布特性的光强空间分布特性 评价评价LED的输出光的发散角的情况，此特性影响到与的输出光的发散角的情况，此特性影响到与光纤（光纤（OF）的耦合效率。的耦合效率。发散角影响发散角影响与与OF的耦合的耦合n0n2n1折射定律折射定律n1sin 1=n2sin 2 临临=arcsin(n2/

14、n1)三、三、LED的基本特性的基本特性两种分布：两种分布：垂直垂直PN结方向：结方向：近场近场（器件出光端面上的光强分布）（器件出光端面上的光强分布） 、远场、远场平行平行PN结方向：结方向：近场、远场（离开器件端面后的光强分布）近场、远场（离开器件端面后的光强分布）平行平行PN结结方向方向垂 直垂 直 P N 结结方向方向近场分布：近场分布：器件出光端面上的光强分布器件出光端面上的光强分布三、三、LED的基本特性的基本特性LED的光强空间分布特性的光强空间分布特性垂直垂直PN结方向：结方向：近场近场（器件出光端面上的光强分布）（器件出光端面上的光强分布） 、远场、远场平行平行PN结方向：结

15、方向：近场、远场（离开器件端面后的光强分布）近场、远场（离开器件端面后的光强分布）平行平行PN结结方向方向垂 直垂 直 P N 结结方向方向远场分布：离开器件端面后的光强分布远场分布：离开器件端面后的光强分布两种分布：两种分布：三、三、LED的基本特性的基本特性LED的光强空间分布特性的光强空间分布特性LED的应用的应用指示灯指示灯数字显示用显示器（矩阵型和字段型）数字显示用显示器（矩阵型和字段型）平面显示器平面显示器光源光源 2.2”OLED屏的手机OLED06年以后三、三、LED的基本特性的基本特性LED的符号：的符号：LED的主要参数：的主要参数：最大工作电流和最大反向电压最大工作电流和

16、最大反向电压。使用使用中不得超过该两项参数值，否则会使发光二极管损坏。中不得超过该两项参数值，否则会使发光二极管损坏。文字符号为文字符号为VD三、三、LED的基本特性的基本特性LED的使用的使用LED的管芯结构：的管芯结构：管脚：管脚：有正、负极之分，较长有正、负极之分，较长的是正极，较短的是负极的是正极，较短的是负极.对于透明或半透明塑封对于透明或半透明塑封LED，可以用肉眼观察到它的内部电可以用肉眼观察到它的内部电极的形状，正极的内电极较小，极的形状，正极的内电极较小，负极的内电极较大。负极的内电极较大。三、三、LED的基本特性的基本特性LED的使用的使用LED的扫描驱动方式：的扫描驱动方

17、式：n 需要点亮多个发光二极管时，以需要点亮多个发光二极管时，以采用扫描驱动的方式，以简化电采用扫描驱动的方式，以简化电路和节约电能。路和节约电能。n 电子开关将电源电压依次快速轮电子开关将电源电压依次快速轮流接入流接入4个发光二极管，只要轮个发光二极管，只要轮换的速度足够快，看起来这换的速度足够快，看起来这4个个发光二极管都一直在亮着。发光二极管都一直在亮着。三、三、LED的基本特性的基本特性LED的使用的使用变色变色LEDCPlCP2，偏红光，偏红光在两端分别接入互为反相的脉在两端分别接入互为反相的脉冲电压冲电压CPl和和CP2。以脉冲驱动以脉冲驱动方式使双色方式使双色LED发出其他颜色发

18、出其他颜色的光。的光。占占空空比比三、三、LED的基本特性的基本特性LED的使用的使用使用时，公共负极使用时，公共负极2脚接地脚接地n当当1脚接电压时，脚接电压时，VDl使其发红光。使其发红光。n当当3脚接电压时，脚接电压时，VD2使其发绿光；使其发绿光；n当当1、3脚同时接电压时，脚同时接电压时，LED发橙发橙色光。色光。n当当Ia与与Ib的比例不同时，的比例不同时，LED发光颜发光颜色按比例在红一橙一绿之间变化。色按比例在红一橙一绿之间变化。变色变色LED三、三、LED的基本特性的基本特性LED的使用的使用高速高速LEDLAN的系统设计者希望使用的系统设计者希望使用LED，而不使用而不使用

19、LDLED成本低、温度稳定性好、工作温度范围宽、控制成本低、温度稳定性好、工作温度范围宽、控制电路简单。不需要较高的注入电流产生粒子数反转分电路简单。不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。实现几百实现几百Mbit/s，甚至几甚至几Gbit/s。ISDN（电路交换网络系统（电路交换网络系统 ）、）、LAN（局域网）等（局域网）等原因原因缺点缺点带宽小、光功率低，限制其在长距、大容量通信系带宽小、光功率低，限制其在长距、大容量通信系统中的应用。（几十统中的应用。（几十Mbit/s）。）。目标目标应用应用三、三、LED

20、的基本特性的基本特性影响影响LED响应速度的因素响应速度的因素LED的调制速率仅为的调制速率仅为200-300MHz。为减小载流子的寿命时间为减小载流子的寿命时间,复合区往往采用高掺杂或使复合区往往采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下。工作在高注入电流密度下。发光二极管的响应速度受载流子自发复合寿命时间所限制。发光二极管的响应速度受载流子自发复合寿命时间所限制。mthNV1 Nm：掺杂掺杂浓度浓度Vth：载流子热运动速度载流子热运动速度 ：载流子俘获截面：载流子俘获截面三、三、LED的基本特性的基本特性提高提高LED速度的措施速度的措施q 减小少子寿命，即增加有源区中载流子的复减小少子寿

21、命，即增加有源区中载流子的复合速率：重掺杂。合速率：重掺杂。q 提高注入电流。提高注入电流。q 减小有源区面积，即减小空间电荷电容。减小有源区面积，即减小空间电荷电容。q 优化驱动电路，合理使用均衡电路驱动。优化驱动电路，合理使用均衡电路驱动。300Mbit/s1.0Gbit/smthNV1 高速高速LED三、三、LED的基本特性的基本特性LED的调制特性的调制特性调制的概念调制的概念任何通信系统的目的：任何通信系统的目的：把信息从一点传送到另一点。把信息从一点传送到另一点。信息传递的方式：信息传递的方式：把信息先附加（调制）在一个电磁波把信息先附加（调制）在一个电磁波（载波）上，然后把被调制

22、的载波发送（传播）到目的地。（载波）上，然后把被调制的载波发送（传播）到目的地。在目的地接收到电磁波后，再把信息复原（解调）。在目的地接收到电磁波后，再把信息复原（解调）。三、三、LED的基本特性的基本特性无线电通信系统：无线电通信系统：采用无线电波作为载波；采用无线电波作为载波；微微 波波 通通 信信 系统：系统：采用微波作为载波；采用微波作为载波；光光 通通 信信 系系 统：统：采用光频（如红外、可见光等）作为载波。采用光频（如红外、可见光等）作为载波。 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 频率频率(Hz) 无线电通信无线电

23、通信 微微 毫毫 光通信光通信 波波 米米 通通 波波 信信 通通 信信 LED的调制特性的调制特性三、三、LED的基本特性的基本特性光束调制原理光束调制原理要用光束（这里的光束指的是具有一定相干性的光源，要用光束（这里的光束指的是具有一定相干性的光源，如如LEDLED或或LDLD）作为信息的载体，就必须解决如何将信息作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到光束上去的问题。加到光束上去的问题。将信息加载于光束的过程称为将信息加载于光束的过程称为调制调制。完成这一过程的装置称为完成这一过程的装置称为调制器调制器。其中光束称为其中光束称为载波载波。起控制作用的低频信号称为起控制作用的低频信号称为调

24、制信号调制信号。LED的调制特性的调制特性三、三、LED的基本特性的基本特性光波的电场强度为光波的电场强度为)cos()(ccctAtEA Ac c：振幅振幅 c c：角频率角频率 c c：相位角相位角既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么光束就受到了信号的调制，按照调制信号的规律变化，那么光束就受到了信号的调制，达到达到“运载运载”信息的目的。信息的目的。三、三、LED的基本特性的基本特性LED的调制特性

25、的调制特性光束调制方法：光束调制方法：内调制（直接调制）、内调制（直接调制）、外调制外调制内调制：内调制：加载信号是在光加载信号是在光发射过程中进行的，发射过程中进行的，以调以调制信号改变光源的输出特制信号改变光源的输出特性以实现调制性以实现调制。主要用于。主要用于光通信的注入式半导体光光通信的注入式半导体光源中。源中。三、三、LED的基本特性的基本特性LED的调制特性的调制特性外调制：外调制：光束形成之后，在光路上放置调制光束形成之后，在光路上放置调制器，器，用调制信号改变调制器的物理性能，用调制信号改变调制器的物理性能，当光束当光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。通过调制器时，使光

26、波的某个参量受到调制。)cos()(ccctAtE三、三、LED的基本特性的基本特性LED的调制特性的调制特性光束调制原理光束调制原理内调制技术内调制技术模拟调制：模拟调制：用连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接用连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接加到光源上，光源发出的光强随模拟信号的变化加到光源上，光源发出的光强随模拟信号的变化而变化。而变化。数字调制：数字调制：用脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。用脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。内调制（直接调制）：内调制（直接调制）：目前光纤通信系统普遍采用的实用目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。化调制方法。三、三、L

27、ED的基本特性的基本特性模拟调制原理模拟调制原理无论是无论是LED或或LD作光源，都要施加偏置电流作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作使其工作点处于点处于LED或或LD的的P-I特性曲线的线性段。特性曲线的线性段。简单的模拟调制电路简单的模拟调制电路光束调制原理光束调制原理内调制技术内调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性数字调制数字调制数字调制是二进制数字信号数字调制是二进制数字信号“1”码和码和“0”码对光源发出码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大都采用的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制脉冲编码调制。光束调制原理光束调制原理内调制技术内调制技术三、三、LED的基本特性

28、的基本特性数字信号调制的优点：数字信号调制的优点：n抗干扰能力强。抗干扰能力强。数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉。和失真，可采用间接中继器的方式去掉。n对系统的线性要求不高，可充分利用光源的发光功率。对系统的线性要求不高，可充分利用光源的发光功率。n数字光通信设备便于和脉冲编码电话（数字彩色电视）终端、数字光通信设备便于和脉冲编码电话（数字彩色电视）终端、电子计算机终端相连接，从而组成电子计算机终端相连接，从而组成多媒体综合通信系统多媒体综合通信系统（既（既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的系统）。能传输电话

29、、彩色电视，又能传输计算机数据的系统）。光束调制原理光束调制原理内调制技术内调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性光外调制系统图光外调制系统图LD、LED外调制器外调制器 直流电源直流电源 电信号电信号 光纤光输出光束调制原理光束调制原理外调制技术外调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性外调制器种类外调制器种类电光调制器电光调制器声光调制器声光调制器磁光调制器磁光调制器光束调制原理光束调制原理外调制技术外调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性电光调制器：利用电光调制器：利用晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光束调制原理光束调制原理外调制技术外调制技术三、三、LED的基本特性的基本

30、特性p 电光效应电光效应：外加电场外加电场E引起电光晶体折射率变化（引起电光晶体折射率变化（ n）。）。 n可随可随E成线性变化，也可随成线性变化，也可随E的平方变化（即非线性变的平方变化（即非线性变化）。化）。p 帕克耳效应：帕克耳效应：调制器主要利用电光晶体调制器主要利用电光晶体 n的线性变化项，的线性变化项，称为称为 Pockels effect 。p 电光晶体电光晶体：能够产生电光效应的晶体能够产生电光效应的晶体，如，如铌酸锂铌酸锂（LiNbO3）声光效应：声光效应：由于声波在介质中传播时，介质受声波压强由于声波在介质中传播时，介质受声波压强作用而产生应变，这种应变使得作用而产生应变，

31、这种应变使得介质的折射介质的折射率发生变化率发生变化，从而影响光波传输特性。，从而影响光波传输特性。声光调制器：利用声光调制器：利用介质的声光效应介质的声光效应光束调制原理光束调制原理外调制技术外调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性法拉第旋转效应：法拉第旋转效应：一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生改变，旋转角度时，其偏振方向发生改变，旋转角度 的大小与沿光束方的大小与沿光束方向的磁场强度向的磁场强度H和光在介质中传播的长度和光在介质中传播的长度L之积成正比。之积成正比。 =VHLV：Verdet常数，表示在单位磁场强度下，线

32、偏振光通过单位常数，表示在单位磁场强度下，线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。磁光调制器：利用磁光调制器：利用法拉第旋转效应法拉第旋转效应光束调制原理光束调制原理外调制技术外调制技术三、三、LED的基本特性的基本特性四、超辐射四、超辐射LEDSLD任何一个光发射过程将同时存在自发发射和受激发射，只任何一个光发射过程将同时存在自发发射和受激发射，只不过不同的光发射中，其自发发射和受激发射的程度不同。不过不同的光发射中，其自发发射和受激发射的程度不同。LED中自发发射占主要，中自发发射占主要，LD中受激发射占主要。中受激发射占主要。超辐射：超辐射：自发发射和受激发射程度接近的光发射过程自发发射和受激发射程度接近的光发射过程超辐射超辐射LED：利用超辐射过程实现的发光器件利用超辐射过程实现的发光器件SLD的出现和发展完全受到光纤陀螺的驱动的出现和发展完全受到光纤陀螺的驱动 航空、航天飞行器的飞行速度和转动航空、航天飞行器的飞行速度和转动速度（角速度）非常高，瞬息万变。测量飞行器的飞行速速度（角速度）非常高，瞬息万变。测量飞行器的飞行速度，特别是度，特别是飞行角速度飞行角速度变得非常重要，光纤陀螺等仪器便变得非常重要，光纤