第6章-發(fā)光與光電耦合器件

l光具有波粒二象性原子內(nèi)有若干電子圍繞原子核不斷運動；運動有多種可能狀態(tài)；不同運動狀態(tài)的電子具有不同能量；當(dāng)它們的運動受到干擾時就可能發(fā)射出電磁波。

光的本質(zhì)及產(chǎn)生假設(shè)E0、E1為電子的兩個運動狀態(tài)，E0為基態(tài)，電子受激獲得一定能量而躍遷到激發(fā)態(tài)E1，當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，能量從E1變到E0，此時發(fā)射光子的頻率為：h為普朗克常數(shù)當(dāng)前第1頁\共有128頁\編于星期六\13點1光源

通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。當(dāng)前第2頁\共有128頁\編于星期六\13點2

l任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射。l溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度。

l自然界中的任何物體都是熱輻射體。溫度低的物體發(fā)紅外輻射，500℃左右時物體的溫度輻射開始發(fā)部分暗紅色的可見光。溫度越高，發(fā)出的輻射波長越短；大約在1500℃時的溫度輻射體開始發(fā)白光。應(yīng)用：熱輻射是紅外探測技術(shù)和溫度非接觸測量的依據(jù)。熱輻射（溫度輻射）-----連續(xù)光譜當(dāng)前第3頁\共有128頁\編于星期六\13點3激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界提供激勵能的形式可有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光等。1．電致發(fā)光

物質(zhì)中的原子或離子受到被電場加速的電子的轟擊，使原子中的電子從被加速的電子那里獲得動能，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當(dāng)它由受激狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)時，就會發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。例如：發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。

激發(fā)輻射的產(chǎn)生方法

當(dāng)前第4頁\共有128頁\編于星期六\13點42．光致發(fā)光

物體被光直接照射或預(yù)先被照射而引起自身的輻射稱為光致發(fā)光。例如：l

熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質(zhì)的余輝；l鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光(稱為共振輻射)；l短波長的紫外光照射到雜質(zhì)(油污)上發(fā)出波長較長的可見熒光。

光致發(fā)光原理當(dāng)光投射到物質(zhì)上時，光子直接與物質(zhì)中的電子起作用(吸收、動量傳遞等)，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。當(dāng)前第5頁\共有128頁\編于星期六\13點53．化學(xué)發(fā)光

由化學(xué)反應(yīng)提供能量而引起的發(fā)光，稱化學(xué)發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。

實際上，物質(zhì)受激而發(fā)光是很復(fù)雜的，有些同屬幾種受激過程?？偨Y(jié)：溫度輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，即熱平衡狀態(tài)的輻射。光譜為連續(xù)譜。激發(fā)輻射是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。

當(dāng)前第6頁\共有128頁\編于星期六\13點6按照輻射來源不同，光源分為：自然光源與人工光源。按照光波在時間空間上的相位特征，一般將光源分成相干光源和非相干光源。按照發(fā)光機理，光源又可分成：熱輻射光源，氣體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器四種。光源的分類當(dāng)前第7頁\共有128頁\編于星期六\13點7光源熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器太陽白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器汞燈、熒光燈、鈉燈氙(xian)燈、金屬鹵化物燈氘(dao)燈、空心陰極燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管氣體激光器、固體激光器染料激光器、半導(dǎo)體激光器由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱輻射光源。由于物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為激發(fā)輻射，其光源被稱為冷光源。冷光源按激發(fā)方式分可分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。當(dāng)前第8頁\共有128頁\編于星期六\13點86.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。近十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。

1..它體積小，重量輕，便于集成；2.工作電壓低，耗電少，驅(qū)動簡便，容易用計算機控制；3.它既有單色性好的單色發(fā)光二極管，又有發(fā)白光的發(fā)光二極管；4.發(fā)光亮度高，發(fā)光效率高，亮度便于調(diào)整。當(dāng)前第9頁\共有128頁\編于星期六\13點9

發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。

6.1.1發(fā)光二極管的發(fā)光機理當(dāng)前第10頁\共有128頁\編于星期六\13點10由某原因激勵到高能級的粒子，沒有外刺激的情況下，自己躍遷到低能級，發(fā)出光的現(xiàn)象自發(fā)輻射E1E2hν=E2-E1特征頻率(波長),相位,偏振,傳播方向是隨機的t激勵作用原子模型當(dāng)前第11頁\共有128頁\編于星期六\13點11制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)很多自由電子，P區(qū)有很多空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能自然復(fù)合。1.PN結(jié)注入發(fā)光內(nèi)電場空間電荷區(qū)PN多子空穴多子電子當(dāng)前第12頁\共有128頁\編于星期六\13點12

當(dāng)加以正向電壓時，N區(qū)導(dǎo)帶中的電子可越過PN結(jié)的勢壘進入P區(qū)。P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴散，于是電子與空穴有機會相遇，復(fù)合發(fā)光。由于空穴遷移率低于自由電子，則復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在p區(qū)。復(fù)合過程是電子從高能級跌落到低能級過程，這屬于自發(fā)輻射，是非相干光。光的顏色（波長）決定于材料禁帶寬度Eg，光的強弱與電流有關(guān)

內(nèi)電場空間電荷區(qū)PN多子空穴多子電子當(dāng)前第13頁\共有128頁\編于星期六\13點13電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV?？梢姽獾牟ㄩLλ近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8eV

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。當(dāng)前第14頁\共有128頁\編于星期六\13點14

電子和空穴復(fù)合時放出能量的大小，即光子的能量，取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短，即例如：GaAs材料的禁帶寬度Eg=1.43eV,則光輻射波長為：當(dāng)前第15頁\共有128頁\編于星期六\13點15半導(dǎo)體內(nèi)還因為存在微量雜質(zhì)而發(fā)生導(dǎo)帶雜質(zhì)能級、雜質(zhì)能級與價帶，以及雜質(zhì)能級之間的躍遷，這些躍遷的距離小于導(dǎo)帶到價帶的禁帶寬度，并在禁帶寬度附近的能級區(qū)域。這樣造成了發(fā)光二極管發(fā)射出來的譜線具有一定的寬度。由此可見，發(fā)光二極管發(fā)出的波長和譜帶寬度主要取決于發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料及其摻雜材料。在LED中，向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。當(dāng)前第16頁\共有128頁\編于星期六\13點16光輸出P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs反型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)圖中P-GaAs（砷化鎵）是復(fù)合區(qū)（有源區(qū)），它和相鄰的P-AlxGa1-xAs（砷化鎵摻鋁）層構(gòu)成同型異質(zhì)結(jié)，而和N-AlyGa1-yAs構(gòu)成反型異質(zhì)結(jié)。這兩個異質(zhì)結(jié)起限制載流子（電子和空穴）作用，是載流子有效的集中在P-GaAs區(qū)內(nèi)復(fù)合發(fā)光，故其內(nèi)部量子效率非常高，這是半導(dǎo)體發(fā)光二極管所要求的。同時，將復(fù)合區(qū)夾在低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，起到限制光子的作用。(2)雙異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光

當(dāng)前第17頁\共有128頁\編于星期六\13點17按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型2.基本結(jié)構(gòu)(1)面發(fā)光二極管

有源區(qū)圓形金屬觸點SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔

圖所示為波長0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50μm。厚度小于2.5μm。

一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120°。當(dāng)前第18頁\共有128頁\編于星期六\13點18(2)邊發(fā)光二極管

圖6-4所示為波長1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為50～70μm，長度為100～150μm。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為25°～35°，垂直方向為120°。

當(dāng)前第19頁\共有128頁\編于星期六\13點193.LED的特性參數(shù)

(1)發(fā)光光譜和發(fā)光效率

LED的發(fā)光光譜：指LED發(fā)出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長λm和發(fā)光強度的半寬度Δλ。峰值波長由材料的禁帶寬度決定：λm＝hc/Eg對大多數(shù)半導(dǎo)體材料由于折射率大，在發(fā)射光逸出半導(dǎo)體之前，在樣品內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過了多次反射，因為短波長比長波長更容易被吸收，所以峰值波長對應(yīng)的光子能量比禁帶寬度對應(yīng)的光子能量小些當(dāng)前第20頁\共有128頁\編于星期六\13點20圖6-5給出了GaAs0.6Po.4和GaP的發(fā)射光譜。當(dāng)GaAs1—xPx中的x值不同時，峰值波長在620～680nm之間變化，譜線半寬度大致為20～30nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。當(dāng)前第21頁\共有128頁\編于星期六\13點21

LED的發(fā)光效率：發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有把發(fā)光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cd／A（坎/安）。發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率:

式中，neo為每秒發(fā)射出的光子數(shù),ni為每秒注入到器件的電子數(shù),τr是輻射復(fù)合的載流子壽命,τrn是無輻射復(fù)合的載流子壽命。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射。

當(dāng)前第22頁\共有128頁\編于星期六\13點22光子通過半導(dǎo)體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為3～4）產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。提高外部量子效率的措施：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n2=1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。

外部量子效率定義單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)單位時間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對數(shù)當(dāng)前第23頁\共有128頁\編于星期六\13點23發(fā)光二極管的時間短于1μs，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。如圖，通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。(2)時間響應(yīng)特性與溫度特性當(dāng)前第24頁\共有128頁\編于星期六\13點24(3)發(fā)光亮度與電流的關(guān)系

發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴散電流idn之間的關(guān)系為

(6-3)式中，τ是載流子輻射復(fù)合壽命τr和非輻射復(fù)合壽命τnr的函數(shù)

如圖6-7所示為GaAsl-xPx、Gal-xAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線。當(dāng)前第25頁\共有128頁\編于星期六\13點25(4)最大工作電流

若LED的最大功耗為Pmax，則其最大的電流為(6-4)式中，rd為LED的內(nèi)阻；If、Uf均為它在較小電流時的電流和壓降.

若工作電流較小，LED發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。圖6-8所示為發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內(nèi)量子效率ηin的相對值與電流密度J及溫度T的關(guān)系。隨著電流密度的增加，pn結(jié)溫度升高,將導(dǎo)致熱擴散，使發(fā)光效率降低。

當(dāng)前第26頁\共有128頁\編于星期六\13點26(5)伏安特性

LED的伏安特性如圖6-9所示,它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。這時，正向電流與電壓的關(guān)系為i＝ioexp(U/mkT)(6-5)

式中，m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m＝1。因而實際測得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。當(dāng)前第27頁\共有128頁\編于星期六\13點27(6)壽命

LED的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大,老化變快，壽命變短.(7)響應(yīng)時間

在快速顯示時，標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時間一般是很短的。在用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時間許可的范圍內(nèi)。當(dāng)前第28頁\共有128頁\編于星期六\13點284.驅(qū)動電路LED工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調(diào)制。

當(dāng)前第29頁\共有128頁\編于星期六\13點291、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角較大。2、

LED的發(fā)光顏色豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。4、LED的單元體積小。再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，可作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用。5、壽命長，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。

LED特點當(dāng)前第30頁\共有128頁\編于星期六\13點301、發(fā)光二極管的主要缺點是發(fā)光效率低，有效發(fā)光面很難做大。2、功率較小，只有微瓦級和毫瓦級：3、光色有限，較難獲得短波發(fā)光（如紫外、藍色），制成的短波發(fā)光二極管的價格昂貴，且發(fā)光效率低。應(yīng)用：

二極管除用于數(shù)字、字符顯示器件外，還被作為光源器件廣泛用于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域中。缺點：當(dāng)前第31頁\共有128頁\編于星期六\13點311、指示燈

LED指示燈不斷更新?lián)Q代，其壽命在數(shù)十萬小時以上，而且功耗小，發(fā)光響應(yīng)速度快，亮度高，小型耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢。常見的應(yīng)用：電話、音響制品、家電制品、各種計測儀表以及集中控制盤等指示燈6.2發(fā)光二極管的應(yīng)用

當(dāng)前第32頁\共有128頁\編于星期六\13點32

1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。高效節(jié)能超長壽命：以相同亮度比較，3W的LED節(jié)能燈333小時耗1度電，而普通60W白熾燈17小時耗1度電，普通5W節(jié)能燈200小時耗1度電。CREE公司實驗室最高光效已達260lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經(jīng)突破100lm/W。綠色環(huán)保：不含汞和氙等有害元素。2.照明當(dāng)前第33頁\共有128頁\編于星期六\13點33當(dāng)前第34頁\共有128頁\編于星期六\13點34當(dāng)前第35頁\共有128頁\編于星期六\13點35當(dāng)前第36頁\共有128頁\編于星期六\13點36七段式數(shù)碼管文字顯示器的內(nèi)部接線14劃字碼管3、數(shù)字、文字以及圖像顯示當(dāng)前第37頁\共有128頁\編于星期六\13點374、顯示器通過發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)。可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。當(dāng)前第38頁\共有128頁\編于星期六\13點386.1為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎？答：這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向N區(qū)運動。但由于電子的遷移率μN

比空穴的遷移率μp高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。習(xí)題當(dāng)前第39頁\共有128頁\編于星期六\13點396.2為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求擴散運動占優(yōu)勢，所以必須加正向電壓。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動復(fù)合幾率小，不足以使LED發(fā)光。當(dāng)前第40頁\共有128頁\編于星期六\13點406.3發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？答：發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。譜線半寬度（半功率寬度2Δλ）——在LED譜線的峰值λP兩側(cè)±Δλ處，存在兩個光強等于峰值一半的點，它們之間的寬度。意義：它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。當(dāng)前第41頁\共有128頁\編于星期六\13點41一、背景介紹

1916年，愛因斯坦提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。

1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。激光（LASER)當(dāng)前第42頁\共有128頁\編于星期六\13點42

1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。

Maiman當(dāng)前第43頁\共有128頁\編于星期六\13點43

這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激器和氣體激光器的時代，自此，激光走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)體激光器、染料激光器、自由電子激光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子和微電子為主的信息時代。

1962年，He－Ne氣體激光器在美國貝爾實驗室研制成功。當(dāng)前第44頁\共有128頁\編于星期六\13點44二.激光的特點

1.定向發(fā)光

普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。當(dāng)前第45頁\共有128頁\編于星期六\13點452.亮度極高

在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。當(dāng)前第46頁\共有128頁\編于星期六\13點463.單色性好

激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10-9米，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。此外，激光還有其它特點：相干性好。激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區(qū)的光強分布會出現(xiàn)穩(wěn)定的強弱相間現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，稱為非相干光。當(dāng)前第47頁\共有128頁\編于星期六\13點474．激光的相干性

普通光源所發(fā)出光子彼此是獨立的，很難有穩(wěn)定的位相差，因而難以獲得好的相干光。激光發(fā)出的光子是相關(guān)的，可以在較長時間內(nèi)具有恒定的位相差，因而具有很好的相干性。當(dāng)前第48頁\共有128頁\編于星期六\13點48三.激光的發(fā)光原理

激光(Laser)，它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light

AmplificationbyStimulated

Emissionof

Radiation)

在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。(熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，在較低能級上比較高能級上存在較多的電子)

電子在低能級與高能級之間可以有3種躍遷，下面以E1與E2能級為例進行介紹。當(dāng)前第49頁\共有128頁\編于星期六\13點49E2E1hv

有一個原子開始時處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且hv=E2-E1。則電子會吸收光子，有E1能級躍遷到E2能級。（1）受激吸收當(dāng)前第50頁\共有128頁\編于星期六\13點50（2）自發(fā)輻射E2E1hv

與經(jīng)典力學(xué)中的觀點類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8s），之后，會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個能量為hv=E2-E1光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。當(dāng)前第51頁\共有128頁\編于星期六\13點51自發(fā)輻射的特點是：

這種過程與外界作用無關(guān)。各原子的輻射都是獨立地進行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。 例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發(fā)輻射。當(dāng)前第52頁\共有128頁\編于星期六\13點52（3）受激輻射E2E1hvhvhv處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量hv恰好滿足hv=E2-E1原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。它們的頻率、相位、偏振方向、傳播方向皆相同，所以是相干的。這一過程被稱為受激輻射。

當(dāng)前第53頁\共有128頁\編于星期六\13點53四.激光的形成方法

1.受激輻射占主導(dǎo)地位這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個光子，可以得到兩個狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。E2E1hvhvhvE2E1hvhvhvhvhvhv……

產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位當(dāng)前第54頁\共有128頁\編于星期六\13點542.粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)與放大

產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。當(dāng)前第55頁\共有128頁\編于星期六\13點55

受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。

如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶正常分布反轉(zhuǎn)分布當(dāng)前第56頁\共有128頁\編于星期六\13點56問題:怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？用外界作去激發(fā)處在低能級的原子，使原子處在高能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這種用來激發(fā)低能級原子向高能級躍遷的作用稱泵浦。泵浦方法：固體激光器：光譜適當(dāng)?shù)貜姽鉄?；氣體激光器：氣體電離；半導(dǎo)體激光器：注入載流子。當(dāng)前第57頁\共有128頁\編于星期六\13點573.諧振腔激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。當(dāng)前第58頁\共有128頁\編于星期六\13點586.3半導(dǎo)體激光器6.3.1半導(dǎo)體激光器（LaserDiode）的發(fā)光原理半導(dǎo)體激光器也稱為激光二極管(LD)，是一種光學(xué)振蕩器。諧振腔：半導(dǎo)體介質(zhì)的自然解理面構(gòu)成平行平面腔

泵浦源：通常采用電壓很低的直流電源激光工作物質(zhì)：直接帶隙半導(dǎo)體材料------砷化稼(GaAs)、砷化銦(InAs)、鋁稼砷(A1xGaAs)、銦磷砷(InPxAs)等等

當(dāng)前第59頁\共有128頁\編于星期六\13點59光增益ECEV1.半導(dǎo)體激光器發(fā)光機理（1）激光介質(zhì)的增益系數(shù)g當(dāng)前第60頁\共有128頁\編于星期六\13點60若入射光強為I0，在激光介質(zhì)內(nèi)傳播至z處的光強為I，傳播至z+dz處的光強為I+dI，則我們定義激光介質(zhì)的增益系數(shù)g為：g=dI/(IdZ)

光穿過厚度為dz介質(zhì)的情況因此激光介質(zhì)的增益系數(shù)g就是光通過單位長度激光介質(zhì)后光強的相對增長率。當(dāng)前第61頁\共有128頁\編于星期六\13點61（2）激光介質(zhì)的損耗實際上，介質(zhì)的光損耗就是對光的負(fù)增益。因此激光介質(zhì)的損耗系數(shù):就是光通過單位長度激光介質(zhì)后光強相對衰減率。只有當(dāng)增益大于或者等于損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。a.介質(zhì)的不均勻性造成光線的折射或散射，使得光線偏離軸線方向飛出腔外。氣體激光器中這類損耗較小，固體激光器中這類損耗較大。b.介質(zhì)中存在某些能級差正好與激光頻率對應(yīng)，引起光子吸收。在光增益的同時，激光介質(zhì)也有一定的光損耗。當(dāng)前第62頁\共有128頁\編于星期六\13點62（3）如果粒子數(shù)不隨傳播距離z而變化，則增益系數(shù)g是一個常數(shù)，并稱為小信號增益系數(shù)。則

I=I0egz可見激光介質(zhì)中的光強是隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律增長問題：光在介質(zhì)中的放大一直持續(xù)下去？不會。因為每經(jīng)過一次受激躍遷，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度都要降低，當(dāng)增益不再超過損耗時，放大就停止。當(dāng)前第63頁\共有128頁\編于星期六\13點63

通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡(解理面）按特定的方式組合而成。作用：①提供正反饋和增益,維持受激輻射的持續(xù)振蕩。②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。諧振腔——在激光物質(zhì)的兩測放置相互平行的反射面。作用是讓所選光能在其內(nèi)反復(fù)振蕩而加強。光在共振腔內(nèi)獲得增益，當(dāng)腔內(nèi)增益大于損耗，產(chǎn)生激光振蕩。當(dāng)前第64頁\共有128頁\編于星期六\13點64增益>損耗增益<損耗增益=損耗增益和損耗當(dāng)前第65頁\共有128頁\編于星期六\13點65LD的發(fā)光過程注入電流，即注入載流子；在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)帶電子不穩(wěn)定，少數(shù)電子自發(fā)躍遷到價帶，產(chǎn)生光子；1個光子被導(dǎo)帶中電子吸收躍遷到價帶，同時釋放出2個相干光子，持續(xù)這個過程，直到釋放出多個相干光子，即在合適的腔內(nèi)振蕩放大；光子穩(wěn)定振蕩，光能量大于總損耗時，LD開始工作。當(dāng)前第66頁\共有128頁\編于星期六\13點662.激光器工作模式在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變以平面平行腔為例:設(shè)M1點處光電場為：在長度為L，功率增益系數(shù)為g,光腔往返一次后，為：由介質(zhì)增益導(dǎo)致振幅變化為：考慮激光器內(nèi)介質(zhì)吸收和散射損耗：R1和R2為端面反射率，αint為腔內(nèi)總損耗率，為平面波的波數(shù)當(dāng)前第67頁\共有128頁\編于星期六\13點67在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變有:令兩邊振幅和相位分別相等，則：振幅條件：（m為整數(shù)）相位條件：當(dāng)前第68頁\共有128頁\編于星期六\13點68激光器穩(wěn)定工作的相位條件：m為整數(shù)2kL=2mπ

波數(shù)k=2πnv/cL為光腔長度n為增益介質(zhì)折射率激光器振蕩頻率vm=mc/2nLc/(2nL)滿足相位條件的縱模分布這些頻率對應(yīng)于激光器的縱向模式，和光腔長度有關(guān)當(dāng)前第69頁\共有128頁\編于星期六\13點69

顯然產(chǎn)生激光要滿足閾值條件和相位條件。激光器穩(wěn)定工作的振幅條件：

只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益，理論推出在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為。式中，g為閾值增益系數(shù)，αint為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率.當(dāng)前第70頁\共有128頁\編于星期六\13點70·一個縱模只有在其增益大于或等于損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸出。I工作模式增益曲線損耗圖中5個縱?？梢猿蔀楣ぷ髂Ｊ接?個以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器。通過在光腔中加入色散元件或采用外腔反饋等方法，可以使激光器只有一個模式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器。當(dāng)前第71頁\共有128頁\編于星期六\13點71綜上所述，要得到激光必須滿足三個基本要求

1、需要泵浦源2、大量的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、要有一個諧振腔提供正反饋以及增益總結(jié)激光產(chǎn)生的全過程：當(dāng)前第72頁\共有128頁\編于星期六\13點72

6.3.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)1.PN結(jié)型二極管注入式激光器（同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)）最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成。由此產(chǎn)生的PN結(jié)外接正向偏置解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm

大面積半導(dǎo)體激光器當(dāng)前第73頁\共有128頁\編于星期六\13點73

這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無光限制結(jié)構(gòu)，沿激光器的整個寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要缺點。解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm

大面積半導(dǎo)體激光器當(dāng)前第74頁\共有128頁\編于星期六\13點742.異質(zhì)結(jié)激光器

同質(zhì)結(jié)激光器在室溫下的閾值電流很高，不能實現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩，因此實際的激光器采用了雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，以限制光波和載流子注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1-0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。當(dāng)前第75頁\共有128頁\編于星期六\13點75雙異質(zhì)結(jié)激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布當(dāng)前第76頁\共有128頁\編于星期六\13點76半導(dǎo)體激光器的特性1、光譜特性

在直流驅(qū)動下，發(fā)射光具有一定的波長，譜線具有一定的模式結(jié)構(gòu)，這是由于導(dǎo)帶與價帶都是由許多連續(xù)能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同的能級之間電子的躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光。其中只有符合諧振腔諧振頻率的波長才能產(chǎn)生穩(wěn)定的激光光場。vm=mc/2nLm為整數(shù)n為增益介質(zhì)折射率L為光腔長度導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶Eg當(dāng)前第77頁\共有128頁\編于星期六\13點77

GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖驅(qū)動電流增大832830828826824832830828826824832830828826824圖中可見，隨著驅(qū)動電流增加，縱模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄，這種變化時由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失，主模增益增加產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為靜態(tài)單縱模激光器。當(dāng)前第78頁\共有128頁\編于星期六\13點782.激光束的空間分布近場分布是指激光器反射面上的光強分布，遠場分布是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。1.00.80.60.40.20

804004080

輻射角θ(度)相對光強

圖示為典型LD的遠場輻射特性，圖中與分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面方向的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。當(dāng)前第79頁\共有128頁\編于星期六\13點79·式中，P和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為對應(yīng)的閾值，hf與e分別為光子能量與電子電荷。由此得到

激光器的電—光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率表示，其定義為在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)3.轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性

當(dāng)前第80頁\共有128頁\編于星期六\13點80

激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖示為典型LD的光功率特性曲線。當(dāng)時，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。典型LD的光功率特性曲線543210050100I/mA發(fā)射光功率P/mWLD的驅(qū)動電路和LED相似，但LD是閾值器件，只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時，才能得到激光輸出。當(dāng)前第81頁\共有128頁\編于星期六\13點814.溫度特性

溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖中給出了LD的P-I曲線隨溫度變化的實例。

LD的P-I曲線隨溫度的變化543210

050100I/mA

發(fā)射光功率

22℃

50℃

70℃

P/mW

當(dāng)前第82頁\共有128頁\編于星期六\13點82

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

3.分布反饋半導(dǎo)體激光器分布反饋激光器特點：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大當(dāng)前第83頁\共有128頁\編于星期六\13點83結(jié)構(gòu)光反饋有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為光柵周期Λ=mλB/2nene為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。當(dāng)前第84頁\共有128頁\編于星期六\13點84LD和LED的主要區(qū)別：

LD發(fā)射的是受激輻射光LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。

LD特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

當(dāng)前第85頁\共有128頁\編于星期六\13點856.8產(chǎn)生激光的三個必要條件是什么？答：（1）泵浦源，將處于低能態(tài)的電子激發(fā)到較高能態(tài)上去；（2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；（3）諧振腔，選模為并出射光子提供正反饋，維持受激輻射的持續(xù)振蕩。習(xí)題當(dāng)前第86頁\共有128頁\編于星期六\13點866.9半導(dǎo)體激光器有什么特點？LD與LED發(fā)光機理的根本區(qū)別是什么？為什么LD光的相干性要好于LED光？答：半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦。與集成電路兼容，并且可用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制。LD的發(fā)光機理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而LED發(fā)光的機理是非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光。由于LD的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此它比LED時間和空間相干性好。當(dāng)前第87頁\共有128頁\編于星期六\13點876.4光電耦合器件

光電耦合器：將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。發(fā)光器件：常用LED、LD和微形鎢絲燈等。接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。光電耦合器件發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。

當(dāng)前第88頁\共有128頁\編于星期六\13點88

這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊電信號和輸出邊的電信號耦合在一起的。光電耦合器是將發(fā)光器件和光電接受器件器件緊密組裝在一起，密封在一個對外隔光的封裝之內(nèi)形成的一個電-光-電器件。1.光電耦合器結(jié)構(gòu)電路符號圖中的發(fā)光二極管泛指一切發(fā)光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。

6.4.1光電耦合器結(jié)構(gòu)與類型當(dāng)前第89頁\共有128頁\編于星期六\13點89兩種封裝形式：發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。

（a）發(fā)光器件與光電接收器件被封裝在黑色樹脂外殼內(nèi)（b）發(fā)光器件與光電器件封裝在金屬管殼內(nèi)。當(dāng)前第90頁\共有128頁\編于星期六\13點902.光電耦合器特點⑴具有電隔離的功能它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系。絕緣電阻高達1010~l012Ω，擊穿電壓高達100~25kV，耦合電容小于1PF。

⑵信號傳輸方式是單向性的：IF控制Ic⑶具有抗干擾和噪聲的能力⑷響應(yīng)速度快：一般可達微秒級，甚至納秒級。信號頻率在直流至10MHz之間。⑸實用性強：體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55~+l00℃之間。⑹即具有耦合特性又具有隔離特性當(dāng)前第91頁\共有128頁\編于星期六\13點913．光電耦合器的類型根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，可將光電耦合器件分為兩類：（1）光電隔離器，它的功能是在電路之間傳送信息以便實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲影響；（2）光電傳感器，是一種固體傳感器，主要用以檢測物體的位置或檢測物體有無的狀態(tài)。（1）光電隔離器光電隔離器是把輸入端的發(fā)光器件和輸出端的光電接收器件組裝在同一管殼中，且兩者的管芯相對配置、互相靠近，除光路部分外，其他部分完全遮光。當(dāng)前第92頁\共有128頁\編于星期六\13點92其類型主要有：普通光電耦合器；達林頓光電耦合器；雙光電耦合器；四光電耦合器；（此四種統(tǒng)稱為隔離光電耦合器）使用單只光敏三極管作輸出級的普通光電耦合器(圖a)，通常是密封在一個六引腳的封裝之內(nèi)，而光敏三極管的基極被引到封裝的外面以備使用。在平常的使用中，基極是開路不用的，在此情況下，光電耦合器具有300kHz的有效帶寬。(a)普通隔離光電耦合器(a)圖中，光敏三極管能夠轉(zhuǎn)換為光敏二極管，這只要將基極(引腳6)和發(fā)射極(引腳4)的引出端短接在一起即可，在這種情況下，帶寬卻上升到約30MHz。當(dāng)前第93頁\共有128頁\編于星期六\13點93

(b)達林頓隔離光電耦合器達林頓光電耦合器(圖b)也是密封在一個六引腳的封裝當(dāng)中，而且其光敏三極管的基極亦引到封裝之外以供使用。由于達林頓管的高電流增益，因此其有效帶寬僅為30kHz。當(dāng)前第94頁\共有128頁\編于星期六\13點94

圖c和圖d所示的雙和四光電耦合器都是利用單只光敏三極管作為輸出級的，而這些光敏三極管的基極卻不能外部引用。

(c,d)隔離雙光電和四光電耦合器當(dāng)前第95頁\共有128頁\編于星期六\13點951.以上四種器件里，輸入引腳都是在封裝的某一邊上而輸出引腳則是在封裝的另一邊上。這種結(jié)構(gòu)有利于增加隔離電壓的最大可能值。前后級間電阻可達到109～13歐姆。因此又統(tǒng)稱為隔離光電耦合器

2.雙光和四光電耦合器件中，盡管它們具有1.5KV的隔離電壓值，但是在相鄰?fù)ǖ乐g所出現(xiàn)的電位差卻絕對不允許超過500V。注意：當(dāng)前第96頁\共有128頁\編于星期六\13點96(2)光電傳感器（光電開關(guān)）按結(jié)構(gòu)的不同光傳感器又可分為透射型（又稱為光斷續(xù)器）和反射型兩種(e)開槽型光電耦合器件透射型傳感器是將相互之間保持一定距離的發(fā)光器件和光接收器件相對組裝而成，如圖，它可以通過兩器件之間時引起的透射光量的變化來檢測物體當(dāng)前第97頁\共有128頁\編于星期六\13點97反射型光傳感器則是把發(fā)光器件和光接收器件相互間以某一交叉角度安放在同一方向，如圖，它可以檢測物體經(jīng)過時反射光量的變化，通過這些光量變化可自動檢測物體的數(shù)目、長度。

(f)反射型光電耦合器件當(dāng)前第98頁\共有128頁\編于星期六\13點98光電耦合器件的主要特性為隔離特性與傳輸特性。6.4.2光電耦合器件的特性參數(shù)1.傳輸特性——輸入與輸出間的特性（1）電流傳輸比β

在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用β表示：當(dāng)前第99頁\共有128頁\編于星期六\13點99如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點Q，它所對應(yīng)的發(fā)光電流為IFQ，對應(yīng)的集電極電流為ICQ。該點的電流傳輸比為(6-17)在傳送小信號時，用微小變量定義交流電流傳輸比(6-18)當(dāng)前第100頁\共有128頁\編于星期六\13點100在IF較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，因此β值較??；當(dāng)IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，β值將隨IF增加。IF再增大，β反而會變小，因為發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。當(dāng)前第101頁\共有128頁\編于星期六\13點101圖6-33是β隨環(huán)境溫度的變化曲線當(dāng)前第102頁\共有128頁\編于星期六\13點102(2)輸入與輸出間的寄生電容CFC這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當(dāng)CFC變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其CFC為幾個pF，在高頻電路中就要予以重視。(3)最高工作頻率fm（傳輸交流信號時，衡量頻率特性）

頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性，由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。當(dāng)前第103頁\共有128頁\編于星期六\13點103由圖可見，最高工作頻率fm與負(fù)載電阻值RL有關(guān)。減小負(fù)載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率fm增高。當(dāng)前第104頁\共有128頁\編于星期六\13點104（4）脈沖上升時間tr和下降時間tf（傳輸脈沖信號時，衡量頻率特性）如圖可見，脈沖上升時間tr和下降時間tf也與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，減小負(fù)載電阻可以使光電耦合器件獲得更好的時間響應(yīng)特性。當(dāng)前第105頁\共有128頁\編于星期六\13點105光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在109~1013Ω之間。它與耐壓密切相關(guān)，它與β的關(guān)系和耐壓與β的關(guān)系一樣。2.隔離特性光電耦合器的輸入(發(fā)光器件)與輸出(光電接收器件)的隔離特性可用它們之間的隔離電壓BVCFO來描素.一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時,隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。

(1)輸入與輸出間隔離電壓BVCFO(2)輸入與輸出間的絕緣電阻RFC當(dāng)前第106頁\共有128頁\編于星期六\13點1063.光電耦合器件的抗干擾特性①光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為10Ω~1kΩ；而干擾源的內(nèi)阻很大，為103~106Ω。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。②由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。③光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。

④光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.5~

2pF)，絕緣電阻大(為1011~1013Ω)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。

(1)光電耦合器件抗干擾能力強的原因當(dāng)前第107頁\共有128頁\編于星期六\13點107(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算在向光電耦合器輸送信息的同時，不可避免地進入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，且以繼電器等電磁電器開關(guān)干擾最為嚴(yán)重。這些干擾信號的波形如圖6-37(a)所示。在實際應(yīng)用中，繼電器的工作電壓一般在30V以下，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖不可能高于250V，因此，用光電耦合器件完全可以抑制。即光電耦合器件可以抑制所有干擾源的干擾信號。當(dāng)前第108頁\共有128頁\編于星期六\13點1086.5光電耦合器件的應(yīng)用1.用于電平轉(zhuǎn)換

工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為－22V，CMOS則為5~20V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對電平進行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實現(xiàn)。

圖6-39所示為利用光電耦合器件實現(xiàn)PMOS電路的電平與TTL電路電平的轉(zhuǎn)換電路。輸入是－20伏到0伏的脈沖，輸出是0伏到5伏的脈沖，輸入輸出電路完全是隔離的。

當(dāng)前第109頁\共有128頁\編于星期六\13點1092.用于邏輯門電路

圖a為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端A和B同時輸入高電平“1”，則兩個發(fā)光二極管GY1和GY2都發(fā)光，兩個光敏三極管GG1，和GG2都導(dǎo)通，在輸出端C就呈現(xiàn)高電平“1”。在輸入端A或B中只要有一個為低電平“0”，則其中有一個光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端C就為“0”，故為與門電路。

(1)與門電路當(dāng)前第110頁\共有128頁\編于星期六\13點110圖b為與非門電路，它的原理與圖(a)相似，但輸出端不同，圖(b)從集電極輸出，當(dāng)兩個輸入端A和B都為高電平‘1”時，輸出為低電平“0”，故為與非門電路。(2)與非門電路當(dāng)前第111頁\共有128頁\編于星期六\13點111

圖c為或門電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，則有一個或兩個光敏三極管被照亮而導(dǎo)通，輸出為高電平“1”，故為或門電路。(3)或門電路當(dāng)前第112頁\共有128頁\編于星期六\13點112

圖d的原理與圖(c)相似，但從集電極輸出,輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，輸出就為低電平“0”，故為或非門電路。(4)或非門電路當(dāng)前第113頁\共有128頁\編于星期六\13點113如圖,其中B為禁止信號輸入門，當(dāng)B門有正脈沖信號輸入時，晶體管BG處于截止?fàn)顟B(tài)，此時無論A門有無輸入，輸出端均無輸出，即輸出為低電平；只有當(dāng)禁止解除，即B為低電平的時候，輸出端上才能得到與A門信號相對應(yīng)的輸出信號。(5)禁止門電路Uo=Ui1?Ui2GD2EBGGD1BAUi1Ui2當(dāng)前第114頁\共有128頁\編于星期六\13點1143.隔離方面的應(yīng)用

有時為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號分開，可采用光電耦合器。在電子計算機與外圍設(shè)備相連的情況下，會出現(xiàn)感應(yīng)噪聲、接地回路噪聲等問題。為了使輸入、輸出設(shè)備及長線傳輸設(shè)備等外圍設(shè)備的各種干擾不竄入計算機，以便提高計算機工作的可靠性，亦采用光電耦合器把計算機與外圍設(shè)備隔離開來。當(dāng)前第115頁\共有128頁\編于星期六\13點1155.光電可控硅在控制電路中