光纤通信技术教学资料第3章第2节.ppt

发发光光二二极极管管(LED)(LED)是是低低速速、、短短距距离离光光波波系系统统中中常常用用的的光光源源，，结结构构简简单，发出的部分光耦合进入光纤供传输信息使用单，发出的部分光耦合进入光纤供传输信息使用 LED LED 是一个是一个正向偏置正向偏置的的PNPN同质结，电子同质结，电子——空穴对在耗尽区辐射复空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光合发光，称为电致发光 LED LED 所发的光是非相干光，具有较宽的谱宽所发的光是非相干光，具有较宽的谱宽(30(30～～60nm)60nm)和较大的和较大的发射角发射角(≈100(≈100°°) ) 3.2 3.2 发光二极管发光二极管辰寨细嘲聂踢瞬辑抖梅土驳骨砧菠烹悍滨疤鹰各化迭隆纯突镍苗规阅祭赐《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1 13.2.1 输出功率与效率输出功率与效率 自发发射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当自发发射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为注入电流为I I，在稳态时，电子，在稳态时，电子——空穴对通过辐射和非辐射复合。

空穴对通过辐射和非辐射复合 其复合率等于其复合率等于载流子注入率载流子注入率 I/q I/q；； 发射光子的复合率决定于发射光子的复合率决定于内量子效率内量子效率ηηintint ；； 光子产生率为光子产生率为 ，因此，因此LEDLED内产生的光功率为内产生的光功率为(3.2.1)(3.2.1)绝刻等淬绞表馋澈征叔几涣图驶蒲舔许谐洽裔涪支俞死绍疗四丢丧甜晤鹅《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节2 2式中，式中，hω为光子能量为光子能量ηext 称为外量子效率，通常很小（称为外量子效率，通常很小（≈1.4%≈1.4%） 考虑到考虑到LEDLED内部吸收、空气内部吸收、空气——半导体界面的反射和发射角，只半导体界面的反射和发射角，只有在圆锥角有在圆锥角θcθc内发射时，光功率才能从内发射时，光功率才能从 LED LED 表面逸出，如图表面逸出，如图3.83.8所示3.2.2)(3.2.2) 假定所有发射的光子能量近似相等，并设从假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LEDLED逸出的功率占内部逸出的功率占内部产生功率的比例为产生功率的比例为ηηextext，则，则LEDLED的发射功率为的发射功率为贪追呆锁颤慕嫉娄瓤慎晨飞摄朴虎张耶戒松硅昭姐荫仙沁股贩推子绕桨丧《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节3 3链蒜秧抗僻戒遏痉殴础降企矮炎攒婴帅应娩什练莎试浚孟垮德盏伸输阻绝《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节4 4 在用异质结制成的在用异质结制成的LEDLED中，可以避免内部吸收，这种中，可以避免内部吸收，这种LEDLED中覆盖有源层中覆盖有源层的限制层对所产生的光是透明的，于是外量子效率的限制层对所产生的光是透明的，于是外量子效率ηηextext可表示为可表示为 (3.2.4)(3.2.4)式中，式中，n n典型值为典型值为3.53.5，则，则ηηextext＝＝1.4%1.4%。

(3.2.2)(3.2.2)通过通过(3.2.2)(3.2.2)式，就可计算式，就可计算LEDLED一个端面的发射功率：一个端面的发射功率：芳报凹晤区仟破竿天城汞岳颠棱柄港鱼置木安椭荡巷筛浅氨铁蹋酷绽应陷《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节5 5 LEDLED发射出的光注入光波系统时，还将进一步减小，其减小程度决定发射出的光注入光波系统时，还将进一步减小，其减小程度决定于与光纤的耦合系数于与光纤的耦合系数ηcηc，它与数值孔径的关系为，它与数值孔径的关系为 光纤光纤 NA NA 的典型值在的典型值在0.10.1～～0.30.3范围内，因此只有一部分发射功率能耦范围内，因此只有一部分发射功率能耦合进入光纤，一般合进入光纤，一般LEDLED的输出功率为的输出功率为100μW100μW，甚至更小甚至更小 图3.9LED输出功率—注入电流特性(a)1.3μm LED发射光功率—电流特性； (b)典型1.3μm LED发射谱特性（虚线为理论计算发射谱特性）。

铁蛤琉峙霄蔬般凭悲答栅憎谤纂酷会舷妙汝墟冠快护班帝煎狰提苯椅椰癌《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节6 6图图3.93.9（（a a））1.31.3μmLEDμmLED发射光功率射光功率------电流特性流特性v LEDLED是非阈值是非阈值器件，发光功率随器件，发光功率随工作电流的增大而增大，并在大电工作电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱和流时逐渐饱和 v 工作电流通常为工作电流通常为5050～～1 100mA00mA，偏，偏置电压置电压1.21.2～～1.8V1.8V，输出功率约几毫，输出功率约几毫瓦入纤功率几到几十微瓦入纤功率几到几十微瓦v 工作温度提高时，输出功率要下工作温度提高时，输出功率要下降相对而言，温度的影响要比降相对而言，温度的影响要比LDLD小光功率光功率----电流特性（电流特性（L--P））3-1ＬＥＤ的出光特性动画吟陶氦同潞傣刁惮碎古饵嚷奖撰混葛邢济坐补钡朋肾叶椰那膨氧济供臂堰《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节7 7 LEDLED的工作的工作基于基于自自发发射发发射。

如右图如右图(a)(a)，，由于半导体材料的导由于半导体材料的导带和价带都由许多不带和价带都由许多不同的能级组成，大多同的能级组成，大多数的载流子复合发生数的载流子复合发生在平均带隙上在平均带隙上由于这样，由于这样，LEDLED的发射波长在其中心值的发射波长在其中心值附近占据较大的范围附近占据较大的范围3.2.2 输出输出光谱特性光谱特性灸桑吕就唉供拳栏衍饰菱箭龄才垂啼胆慢卢乔采渗犬槽仑涤口总策晴狐剧《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节8 8 图图3.9(b)3.9(b)给出了一个典型给出了一个典型1.3μmLED1.3μmLED的输出光谱，图中亦给出了按的输出光谱，图中亦给出了按式式(3.2.5)(3.2.5)计算的理论曲线计算的理论曲线 可见其谱宽一般达可见其谱宽一般达5050～～60nm60nm；； 当用于光波系统时，其比特当用于光波系统时，其比特率率——距离积距离积(BL)(BL)不高；不高； LED LED一般只能用于约一般只能用于约10Mb/s10Mb/s和几公里传输距离的本地网中和几公里传输距离的本地网中。

图3.9（b）典型1.3μm LED发射普特性(3.2.5)(3.2.5)赛乙稿谈矫瓤瑟牲战嚏局婉想暇岳荧冉肪断屡鸳孔侥铲属普拦胎埂蜕制健《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节9 93.2.3 3.2.3 响应速率与带宽响应速率与带宽 LED LED用于光波系统时，其调制特性受响应速率的限制，而响应速率又用于光波系统时，其调制特性受响应速率的限制，而响应速率又受载流子自发复合寿命的限制，可用载流子浓度受载流子自发复合寿命的限制，可用载流子浓度 N N 的速率方程进行分析的速率方程进行分析 由于电子和空穴是成对注入和成对复合，因此只研究一种载流子的由于电子和空穴是成对注入和成对复合，因此只研究一种载流子的速率方程就可以了速率方程就可以了 速率方程为速率方程为(3.2.6)(3.2.6)式中：式中：ττc c为载流子寿命，包含了辐射和非辐射复合过程，由式为载流子寿命，包含了辐射和非辐射复合过程，由式(3.1.15)(3.1.15)决定；决定；I I为注入电流，由偏置电流为注入电流，由偏置电流I Ib b和调制电流和调制电流I Im m expexp(iω(iωm mt)t)两项构成，两项构成，即即镶刹震漫武宋笋囤粮铡棘贞近似粤窘燕款胡贵蔚庙惊丹蜕赃嘴灌悟腰鼎橙《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1010式中：式中： I Ib b为偏置电流；为偏置电流； I Im为调制电流为调制电流 ；；ωωm为调制频率。

为调制频率 定义定义LEDLED的转移函数的转移函数H(ωH(ωm) )为为(3.2.6)(3.2.6)(3.2.10)(3.2.10) 定义｜定义｜H(ωH(ωm) )｜降为最大值的｜降为最大值的1/21/2或或3dB3dB时的两调制频率间的宽度时的两调制频率间的宽度为为3dB3dB调制带宽调制带宽f f3dB3dB, ,其值为：其值为： 肺糕娟奖宾这部簇捡锨熙哦玲清妙怠蠕厚旷锈箍发婚么埃译蛙谢整横焚舜《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1111 对对InGaAsP LEDInGaAsP LED，，τcτc的典型值在的典型值在2ns2ns～～5ns5ns，相应的调制带宽在，相应的调制带宽在50MHz50MHz～～140MHz140MHz范围内 式（式（3.2.113.2.11）为光功率下降）为光功率下降3dB3dB时两频率点间宽度，因而所得时两频率点间宽度，因而所得(f(f3dB3dB) )o o是光带宽是光带宽 同样同样考虑降低考虑降低3dB3dB时两频率点间的时两频率点间的电调制带宽电调制带宽宽度，则可得相应的电宽度，则可得相应的电带宽以电功率下降到直流功率的带宽以电功率下降到直流功率的1/21/2时的调制范围来描述时的调制范围来描述, ,得到得到（（3.2.113.2.11））爆怜义静瞅滓滋齐袁哲舷岗砾同酗陵蛹淑垒乞沪骄罕老绊么浮涸燥网追竟《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1212 3.2.4 LED3.2.4 LED的类型与结构的类型与结构 目前目前 LED LED 被划分三个波段：被划分三个波段： λλ = 400400——700nm 700nm 可见光；可见光； λλ = 800800——900nm 900nm 近红外短波长；近红外短波长； λ=1000 λ=1000——1700nm 1700nm 近红外长波长。

近红外长波长 结构分为结构分为 面发光面发光LEDLED 边发光边发光LEDLED窖衷巳香哺馈蹦炯仕昭幢家酬噪蓬丢掺谦沸栅鲜庐耕肉患踌别杀飞迈摹斗《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1313图图3.103.10两种两种LEDLED的结构的结构示意图示意图（（a a）） GaAs/AlGaAs/AlxGa1-xGa1-xAsxAs双异质结面发光双异质结面发光LEDLED的结构；的结构；（（b b）） GaAs/AlxGa1- GaAs/AlxGa1-xAsxAs双异质结边发光双异质结边发光LEDLED的结构哮忱补溉报飞桃辙概吞至糊札郧森能升孤水垫猩芜屡迫百渺佣股湿哩诫硝《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节14141、面发光二极管、面发光二极管(SLED) 图图3.10(a)3.10(a)所示面发射方案设计称为布鲁斯所示面发射方案设计称为布鲁斯(Burrus)(Burrus)型型LEDLED，这种，这种LEDLED发射面积限制在一个小区域；发射面积限制在一个小区域； 小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近，并在金属电极与衬底上腐小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近，并在金属电极与衬底上腐蚀一个井，使光纤与发射区靠近，以提高效率；蚀一个井，使光纤与发射区靠近，以提高效率； 井中注入环氧树脂，降低折射率失配，提高外量子效率；井中注入环氧树脂，降低折射率失配，提高外量子效率； 金属电极用于消除从背面的功率损耗；金属电极用于消除从背面的功率损耗； 为提高与光纤的耦合效率，还可在井中放置一个截球透镜或将光纤为提高与光纤的耦合效率，还可在井中放置一个截球透镜或将光纤末端形成球透镜。

末端形成球透镜 孟涂跃鲜丫呀栋湃宛嗓尉死钱嘲危烈推筹射傲超酞燎咬陆霜突贡吓烷观隧《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1515 面发光管输出功率较大，一般注入电流面发光管输出功率较大，一般注入电流100mA100mA时可达几毫瓦；时可达几毫瓦； 但光发散角大，其水平发散角但光发散角大，其水平发散角θ‖≈120θ‖≈120°°，垂直发散角，垂直发散角θ⊥≈120θ⊥≈120°°，光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低 它在它在 方向的辐射强度为：方向的辐射强度为：窃湘回枝过捎琴叛牢郡抒纹挽素苔竣神初穷等扇启氢学趋蜀犁贵掀滋阅讲《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1616正对有源区的部分腐蚀正对有源区的部分腐蚀成一个凹坑，使光纤能成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区直接靠近有源区 两个异质结限制了两个异质结限制了有源层有源层中的载流子中的载流子及光场分布及光场分布 用用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中有源区的面积，其大小和光纤纤芯面积相当。

有源区的面积，其大小和光纤纤芯面积相当哺齿畦典厅菌厘颓肩函混践汕臂望盖爵心卸施阻苏聂秘深辖踞扛寨桩萄骤《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节17172 2、边发光二极管、边发光二极管(ELED)(ELED) 图图3.10(b)3.10(b)所示为边发光管，它采用条形半导体激光器的设计方案，所示为边发光管，它采用条形半导体激光器的设计方案，但在输出侧面沉积了一层增透膜，消除了激光作用，而在其他侧面则可但在输出侧面沉积了一层增透膜，消除了激光作用，而在其他侧面则可涂高反膜以限制功率发射涂高反膜以限制功率发射 由于波垂直于结平面传播，因而边发光由于波垂直于结平面传播，因而边发光LEDLED的发散光束不同于面发的发散光束不同于面发光光LEDLED，它在垂直于结平面方向的发散角仅为，它在垂直于结平面方向的发散角仅为3030°° 由于减小了发散角并消除了发射侧面的辐射，所以边发光由于减小了发散角并消除了发射侧面的辐射，所以边发光LEDLED的输的输出耦合效率比面发光出耦合效率比面发光LEDLED高，调制带宽亦较大，可达约高，调制带宽亦较大，可达约200MHz200MHz。

芹早嫩载军婪凋啸众半坑若却闯艳母趁键烯弃拽纳尽网蛆募驹膝阿到腻吴《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1818图图3.10GaAs/AlxGa1-xAs双异质结边发光双异质结边发光LED的结构的结构 边发光二极管边发光二极管边发光二极管边发光二极管(ELED)(ELED)(ELED)(ELED)结结结结构构构构图图图图医脐斥希薪蛰琴员孩颂嚼纤饿惫追刺刘宫雪祖呸凰阶浅弥么盏掠奴缺裳敝《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节1919 光导层可减少光束发散，有利于将发光功率有效地耦合入光纤中 这种结构的目的是为了降低有源层中光的吸收并使光束有更好的方向性，光从有源层的端面输出结构上用SiO2掩膜技术在p面形成垂直于端面的条形接触电极，从而限定有源区的宽度3-2 发光二极管（ＥＬＥＤ）的结构动画图矽怯月签潮段寸黎账昨拂贬闹吝挂客养凶践撕光覆孽挡投腹纽秋吁崩曾以《光纤通信技术教学资料》第3章第2节《光纤通信技术教学资料》第3章第2节2020。