半导体LED原理.ppt

* 结构中间有一层窄带隙N型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 * 面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直。这种结构中，在器件的衬底腐蚀了一个小孔，然后用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤，这样能以尽可能高的效率接收发射出来的光。 朗伯光源：各个方向上的亮度(光功率密度)都相同，因此，每个角度的光功率与观察方向角相关，令I为功率密度，方向角对应的空间面积为dAd{omg}cosq * 边发光二极管由一个产生非相干光的有源结区和两个导光层组成。导光层的折射率要低于有源区，但比周围的材料折射率高。这种结构形成了一个波导通道，使辐射光的出射方向朝向光纤的纤芯。边发光二极管要比面发光二极管具有更好的方向性，主要体现在边发光二极管的与pn结垂直方向上的光的方向性好。缺点是需要较大驱动电流，且发光功率低。 不同的材料具有不同的带隙结构，可以产生不同的波长，可应用于不同的系统 * * 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图4.2.5。一般短波长GaAlAs/GaAs LED谱线宽度为30~50 nm，长波InGaAsP/InP LED谱线宽度为60~120 nm。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动，短波长和长波长LED的移动分别为0.2~0.3 nm/℃ 和0.3~0.5 nm/℃。 * * 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图4.2.4。驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA, 输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百uW。 * 工作电流过大会发生饱和 * * 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为100%和90%-95%的平行反射镜构成(如图4.1.0.3所示) 。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，增益大幅度得到提高。 * * * * 宽带长途传输系统的应用要求光源只输出一个波长而且要求谱宽很窄 * 宽带长途传输系统的应用要求光源只输出一个波长而且要求谱宽很窄 * * 这种结构只对载流子和光子形成纵向约束，为了得到更好的性能需要对它们进行横向约束。根据横向约束方法的不同，这种结构进一步可以分成两种类型。 * 这种激光器的性能受注入电流的强度的影响，而注入电流容易引起一些非线性过程。 * * 抑制横模是为了提高光源输出光束的亮度，同时减小光斑尺寸。为了将激光器用于高速系统中，还需要对纵模进行约束，即输出单个波长。 通过减小腔长可以实现单模，但是同时会导致增益大大减小，输出光功率小。 * * 边模抑制可以达到30dB，且对电流和温度变化不太敏感，而且P-I曲线线性度好 理想对称的DFB激光器会同时发射两个0阶模。但实际中可以通过人为地使结构不对称导致模式增益的退化，最终导致单模操作 [1] H. Kogelink and C. V. Shank,Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers, Journal of Applied Physics, vol. 43, no. 5, May 1972. [2] 蔡伯荣，半导体激光器，1995年10月 * * * 因此，在LD上持续加一个IBias = Ith可以避免这个时延，另外加偏置可以使LD始终在线性区 (受激辐射状态)。 考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增大。 * 当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出。而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直到电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由于导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大，直到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值；由于光子寿命