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1、 发光二极管发光二极管(LED)(LED)是低速、短距离光波系统中常用的光源，结构简是低速、短距离光波系统中常用的光源，结构简单，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(3060nm)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3.2.1 输出功率与
2、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/qI/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intint ；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int单位时间内产生的光子数单位时间内注入的电子数intIqintinthPIq(3.2.1)(3.2.1)式中，式中，h为
3、光子能量。为光子能量。ext 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，只有半导体界面的反射和发射角，只有在圆锥角在圆锥角cc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。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extext，则，则LEDLED的发射功率为的发射功率为intint
4、()eextexthPPIq 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extext可表示为可表示为 21(1)extn n(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extext1.4%1.4%。intint()eextexthPPIq(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：LED
5、LED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cc，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0.10.10.30.3范围内，因此只有一部分发射功率能范围内，因此只有一部分发射功率能耦合进入光纤，一般耦合进入光纤，一般LEDLED的输出功率为的输出功率为100W100W，甚至更小。，甚至更小。2()cNA图3.9LED输出功率注入电流特性(a)1.3m LED发射光功率电流特性；(b)典型1.3m LED发射谱特性（虚线为理论计算发射谱特性）
6、。图图3.93.9（a a）1.31.3mLEDmLED发发射光功率射光功率-电流特性电流特性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50501 100mA00mA，偏，偏置电压置电压1.21.21.8V1.8V，输出功率约几毫，输出功率约几毫瓦。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。小。光功率光功率-电流特性（电流
7、特性（L-P）3-1的出光特性动画 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的发射波长在其中心值附近占据较大的范围。值附近占据较大的范围。3.2.2 输出输出光谱特性光谱特性 图图3.9(b)3.9(b)给出了一个典型给出了一个典型1.3mLED1.3mLED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.
8、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505060nm60nm；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；LEDLED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1.3m LED发射普特性120()()exp()/SPggRA hEhEkT(3.2.5)(3.2.5)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，而响应速率用于光波系统时，其调制特性受响应速率的限制，而响
9、应速率又受载流子自发复合寿命的限制，可用载流子浓度又受载流子自发复合寿命的限制，可用载流子浓度 N N 的速率方程进行的速率方程进行分析。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cdNINdtqV(3.2.6)(3.2.6)式中：式中：c 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
10、 Im m expexp(i(im mt)t)两项构成，两项构成，即即式中：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 ；m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(H(m)为为()exp()bmmI tIIit(3.2.6)(3.2.6)()1()(0)1mmmmmcNHNi(3.2.10)(3.2.10)定义定义H(H(m)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时的两调制频率间的宽度为度为3dB3dB调制带宽调制带宽f f3dB3dB,其值为：其值为：();(0)1cmcmmmcIIqVNNiqV式中：
11、对对InGaAsP LEDInGaAsP LED，cc的典型值在的典型值在2ns2ns5ns5ns，相应的调制带宽在，相应的调制带宽在50MHz50MHz140MHz140MHz范围内。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
12、得到（3.2.113.2.11）33(2dbocf)33()1()23dBodBecff 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：=400700nm 400700nm 可见光；可见光；=800900nm 800900nm 近红外短波长；近红外短波长；=10001700nm =10001700nm 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/AlxGa1-xAsxGa1
13、-xAs双异质结面双异质结面发光发光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。的结构。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；
14、腐蚀一个井，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。纤末端形成球透镜。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120120，垂直发散角，垂直发散角120120，光束呈朗伯分布，与光纤
15、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：0()cosII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 两个异质结限制两个异质结限制了了有源层有源层中的载中的载流子及光场分布流子及光场分布 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。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
16、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。图图3.10GaAs/AlxGa1-xAs双异质结边发光双异质结边发光LED的结构的结构 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
