發(fā)光二極管LED教學(xué)教程

第十講發(fā)光二極管LED主要內(nèi)容一、發(fā)光二極管的工作原理二、發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)三、發(fā)光二極管的工作特性發(fā)光二極管的工作原理LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層間，但沒有光學(xué)諧振腔，故無閾值。LED分為正面發(fā)光型和側(cè)面發(fā)光型，側(cè)面發(fā)光型LED的驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比正面發(fā)光型LED高。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)球透鏡環(huán)氧樹脂P層有源層N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型微透鏡P型限制層有源層波導(dǎo)層N型限制層(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的工作特性

光譜特性光束空間分布輸出光功率特性

頻率特性

LED的光譜特性

發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有光學(xué)諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線寬，短波長(zhǎng)LED譜線寬度為30～50nm。長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的譜線寬度為6～120nm。

1300波長(zhǎng)/nm相對(duì)光強(qiáng)Δλ=70nm

LED的光束空間分布

正面發(fā)光型的半功率點(diǎn)輻射角為120o，側(cè)面發(fā)光型的平行發(fā)射角為120o，垂直發(fā)射角為25o～35o。LED與光纖的耦合效率一般低于10%。

LED的輸出光功率特性正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流I/mA發(fā)射光功率

P/mw0100200300400500

LED的一般外量子效率小于10%，驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，P-I特性呈線性，I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I特性曲線斜率減小。通常LED的工作電流為50～100mA，輸出光功率為幾mW，由于發(fā)光光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。LED的頻率響應(yīng)為：式中，為調(diào)制頻率，是對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率的輸出光功率，為少數(shù)載流子（電子）的壽命，定義為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)

時(shí)，

最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。

LED的頻率特性

LED的頻率響應(yīng)曲線τe=1.1μsτe=2.1μsτe=6.4μs調(diào)制頻率f/MHz頻率響應(yīng)101001000100.1

P(f)

LD和LED的一般性能比較

LD

LED工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.551.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～3

50～10060～120閾值電流Ith/mA20～3030～60

工作電流I/mA

50～150100～150輸出功率P/mW

5～105～10

1～51～3入纖功率P/mW

1～31～30.1～0.30.1～0.2

調(diào)制帶寬B/MHz500～2000500～1000

50～15030～100輻射角θ/（°）

20×3020×50

30×12030×120壽命t/h106～107105～106108107工作溫度/℃

-20～50-20～50

-20～50-20～50三、分布式反饋激光器DBF分布式反饋激光器的工作原理分布式反饋激光器的優(yōu)點(diǎn)分布式反饋激光器的一般性能分布反饋激光器工作原理

DBF激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)（波紋狀）衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。衍射光柵的折射率為周期性變化，使有源層分布反饋。由有源曾層發(fā)出的光從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射，另一部分繼續(xù)前進(jìn)，在鄰近的光柵波紋峰反射。若兩部分反射光相互疊加則產(chǎn)生更強(qiáng)反饋，而其他波長(zhǎng)的光將被抵消；雖然每個(gè)光柵波紋峰反射光不大，但整個(gè)光柵有成百上千的波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。

光柵的周期Λ下式?jīng)Q定：

為材料有效折射率，是布拉格波長(zhǎng)，m為衍射系數(shù)。在普通DBF激光器中，有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱摸，其波長(zhǎng)為：為光柵長(zhǎng)度。在普通均勻光柵中，引入一個(gè)λ／4的相移變換，使原來的波峰變波谷，可有效提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱摸激光器的要求。

分布式反饋激光器的一般性能工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～3閾值電流Ith/mA20～3030～60連續(xù)波單縱模10-4～10-3輸出功率P/mW

20～4015～30

直接調(diào)制單縱模

0.04～0.5(1Gb/s.Hz)邊模抑制比/dB30～35頻譜漂移/（nm/℃）

＜0.08外量子效率ηd/%

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