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1、发光二极管（发光二极管（LED） v 发光二极管是一种冷光源发光二极管是一种冷光源，是固态，是固态P-N结器件，加正向电流时发光。它是直接把结器件，加正向电流时发光。它是直接把电能转换成光能的器件，没有热转换过程，电能转换成光能的器件，没有热转换过程，其发光机制是电致发光，辐射波长在可见其发光机制是电致发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于发光面积小，故可以光或红外光区。由于发光面积小，故可以视为点光源。视为点光源。v 在光纤系统中作为光源使用的发光二在光纤系统中作为光源使用的发光二极管与一般用作显示的发光二极管不同极管与一般用作显示的发光二极管不同。发光二极管（发光二极管（LED） 工作原理
2、工作原理v 发光二极管（发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置），是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。相干光。发光二极管（发光二极管（LED） 工作原理工作原理1、发光二极管的伏安特性曲线、发光二极管的伏安特性曲线 表示发光二极管性能的参数表示发光二极管性能的参数有电学方面的，也有光学方面的，有电学方面的，也有光学方面的，最基本的是
3、发光二极管的电流最基本的是发光二极管的电流-电电压特性。曲线形状和普通半导体二压特性。曲线形状和普通半导体二极管差不多，电压值很低时，几乎极管差不多，电压值很低时，几乎没有电流；在正向特性一边，电压没有电流；在正向特性一边，电压超过超过1V或或1.5V左右时，电流迅速左右时，电流迅速上升，显示出欧姆导通特性，这个上升，显示出欧姆导通特性，这个电压值称为开启点。开启点电压的电压值称为开启点。开启点电压的大小决定于半导体材料。大小决定于半导体材料。 2、光通密度与电流密度的关系、光通密度与电流密度的关系 v 总的说来，光通密度总的说来，光通密度随着电流密度的增加而成随着电流密度的增加而成正比例增加
4、，但不容易出正比例增加，但不容易出现饱和，镓铝砷和镓砷磷现饱和，镓铝砷和镓砷磷发光二极管就是呈现这样发光二极管就是呈现这样的特性。对于一些掺杂不的特性。对于一些掺杂不是很高的材料，当载流子是很高的材料，当载流子达到一定数值后，光通密达到一定数值后，光通密度达到饱和，再增加电流度达到饱和，再增加电流注入时，光通密度增加很注入时，光通密度增加很少，甚至不再增加。少，甚至不再增加。电流密度/（mAcm-2）光通密度（lmcm-2）110102103110102103010-1磷化镓、绿色磷化镓、绿色磷化镓、红色磷化镓、红色镓砷磷镓砷磷镓铝砷镓铝砷3、出光效率、出光效率v出光效率出光效率 是指是指P-
5、N结辐射复合产生的光子射到外部结辐射复合产生的光子射到外部的百分数。的百分数。 换句话说，是表示器件内部的光如换句话说，是表示器件内部的光如何有效地发射出来的参数。何有效地发射出来的参数。影响因素：影响因素：半导体本身对光的吸收；半导体本身对光的吸收；材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的全反射）。全反射）。说明及解决措施说明及解决措施v 由于所用半导体材料的折射比空气的折射由于所用半导体材料的折射比空气的折射率大得多，因此，出射角度不大时，就已经形率大得多，因此，出射角度不大时，就已经形成了全内反射，使得结平面产生的光透射不出成了全内反射，使得结平面
6、产生的光透射不出来。即使出射角度很小时，也会有一大部分光来。即使出射角度很小时，也会有一大部分光被反射回去。光线在空气界面折射时，按照菲被反射回去。光线在空气界面折射时，按照菲涅尔射定律，有部分能量反射回去。涅尔射定律，有部分能量反射回去。v 为了提高光的透射率，人们想了很多措施，为了提高光的透射率，人们想了很多措施，如用高折射率、低熔点的透明玻璃对管芯进行如用高折射率、低熔点的透明玻璃对管芯进行拱形或半球形封装。光在封装材料内，几乎是拱形或半球形封装。光在封装材料内，几乎是垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反射，这样出光效率可以提高射，这样出光效率
7、可以提高47倍。倍。LED的特点及应用的特点及应用v一、特点一、特点v1.LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。角大。v2.LED的发光颜色非常丰富的发光颜色非常丰富，通过选用不同，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。而且通过的材料，可以实现各种发光颜色。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。 LED的特点及应用的特点及应用v、LED的辉度高。的辉度高。随着各种颜色随着各种颜色LED辉度的辉度的迅速提高，即使在日光下，由迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室
8、外用信息板、能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。迅速扩大。v4、 LED单元体积小。单元体积小。在其他显示器件不能使在其他显示器件不能使用的极小范围内也可使用，再回上低电压、用的极小范围内也可使用，再回上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。扩大。 LED的特点及应用的特点及应用v、寿命长，基本上不需要维修。可作、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面
9、的信号光源，为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。是一个新的应用领域。 LED的应用的应用v指示灯指示灯v 在在LED的应用中，首先应举出的是的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、信号灯，各种类型的指示灯、信号灯， LED正在正在成为指示灯的主要光源。成为指示灯的主要光源。LED的寿命在的寿命在数十万小时以上，为普通白炽灯的数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍倍以上，而且具有功耗小、发光响应速度以上，而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显的优势各种应用中占有明显的优势. LED的应用的应用v数字显
10、示用显示器数字显示用显示器v 利用利用LED进行数字显示，进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方有点矩阵型和字段型两种方式。式。点矩阵型点矩阵型如图示，使如图示，使LED发光元件纵横按矩阵排发光元件纵横按矩阵排列，按需要显示的数字只让列，按需要显示的数字只让相应的元件发光。为进行数相应的元件发光。为进行数字显示，每个数字需要行字显示，每个数字需要行列的矩阵，共需列的矩阵，共需3535个元件。个元件。除数字之外，还可显示英文除数字之外，还可显示英文字符、罗马字符、日文假名字符、罗马字符、日文假名等，其视认性也很好。等，其视认性也很好。 LED的应用的应用v平面显示器平面显示器v LED还可以用于
11、平面显示，其优点还可以用于平面显示，其优点是，由于是，由于LED为固体元件，可靠性高，为固体元件，可靠性高，与采用白炽灯的显示器相比，功耗小；与采用白炽灯的显示器相比，功耗小；可以制作对于可以制作对于CRT及及LCD来说不容易做来说不容易做出的大型显示器等。出的大型显示器等。 LED平面显示器可平面显示器可分为单片型、混合型及点矩陈型等几大分为单片型、混合型及点矩陈型等几大类。类。LED的应用的应用v 目前，用于室内、外显示，采用目前，用于室内、外显示，采用LED点矩阵型模块点矩阵型模块的大型显示器正在迅速推的大型显示器正在迅速推广普及。由于采用广普及。由于采用LED点矩阵型模块结点矩阵型模块
12、结构，显示板的大小可由构，显示板的大小可由LED发光点密集发光点密集排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红到绿的任意单色、多色，甚至全色。灰到绿的任意单色、多色，甚至全色。灰度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与专用专用IC相组合，也可由电视信号驱动，相组合，也可由电视信号驱动，进行电视画面显示。进行电视画面显示。 LED的应用的应用v光源光源v LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。如电视机、空调等的遥控器的光源。系统的光源。如电视机、空调等的遥控器的光源。在光电检测系统及光通信系
13、统中，也可作为发射在光电检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。当然在这两个领域中的应用有一定光源来使用。当然在这两个领域中的应用有一定限制，如由于限制，如由于LED相干长度短，不适合做为大量相干长度短，不适合做为大量程干涉仪的光源；在目前的数字光纤通信系统中，程干涉仪的光源；在目前的数字光纤通信系统中，由于光纤存在色散特性，由于光纤存在色散特性， LED的宽光谱将导致的宽光谱将导致脉冲的展宽，限制系统的通信容量，脉冲的展宽，限制系统的通信容量， LED只适只适合于低速率、短距离光纤通信系统。合于低速率、短距离光纤通信系统。 半导体激光器（半导体激光器（LD）v半导体激光器，也称激光二
14、极管（半导体激光器，也称激光二极管（Laser Diode，LD），是一种光学振荡器。），是一种光学振荡器。v产生激光要满足以下条件：产生激光要满足以下条件：一、粒子数反转；一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里里帕罗谐振腔。帕罗谐振腔。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。增益要大于总的损耗。LD的谐振腔的谐振腔有源区有源区注入电流注入电流解理面解理面解理面解理面Z0ZLR1R2增益介质增益介质LLD的阈
15、值条件的阈值条件v光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：v式中式中R1，R2为谐振腔两个反射面的反射率，为谐振腔两个反射面的反射率， g为增益系数，为增益系数，L为谐振腔长，为谐振腔长，为损耗系数。为损耗系数。总增益总增益内部损耗内部损耗端面损耗端面损耗+总损耗总损耗LD的主要特性的主要特性v 半导体激光器是半导体二极管，它具有半导体激光器是半导体二极管，它具有半导体二极管的一般特性，还具有激光器所半导体二极管的一般特性，还具有激光器所具有的光频特性具有的光频特性 。v1、伏安特性、伏安特性v 半导体激光的伏安特性与一般半导体激光的伏安特性与一般半导体二极管相
16、同，具有单向导电半导体二极管相同，具有单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。由性。其伏安特性曲线如图所示。由于工作时加正向偏压，所以其结电于工作时加正向偏压，所以其结电阻很小。其正向电阻值主要由材料阻很小。其正向电阻值主要由材料的体积电阻和引线的接触电阻来决的体积电阻和引线的接触电阻来决定。这些电阻虽然很小，但由于工定。这些电阻虽然很小，但由于工作电流很大，其作用不能忽略。作电流很大，其作用不能忽略。 正向电压/ V正向电流（mA）1232004008000LD的主要特性的主要特性v2.量子效率与阈值电流量子效率与阈值电流 在复合区内，有两种复合。一种叫在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合辐射
17、复合，一种叫，一种叫无辐射复合无辐射复合。前者。前者发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。因而发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率i i表示辐射复表示辐射复合所占的比例。合所占的比例。 由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外量子效率量子效率 ex.ex.LD的主要特性的主要特性v3.方向特性方向特性 普通气体激光器和固体激光器普通气体激光器和固体激光器方向性很好
18、，光束的发散角只有方向性很好，光束的发散角只有 (球面度球面度)。而半导体激光器的方向。而半导体激光器的方向性要差得多。性要差得多。LD的主要特性的主要特性v 在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。 LD的主要特性的主要特性v4.光谱特性光谱特性 由于半导体的导带，价带都有一定由于半导体的导带，价带都有一定的宽度，所以复合发光的光子有较宽的宽度，所以复合发光的光子有较宽的能量范围，因而产导体激光器的
19、发的能量范围，因而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和气体激光器要射光谱比固体激光器和气体激光器要宽。宽。 半导体激光器的光谱随激励电流半导体激光器的光谱随激励电流而变化，当激励电流低于阈值电流时，而变化，当激励电流低于阈值电流时，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几微米。如图其宽度常达百分之几微米。如图 (a)所示。当电流增大到阈值时，发出的所示。当电流增大到阈值时，发出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加。这表明出现了加。这表明出现了激光。其光谱为激光。其光谱为分布如图分布如图 (b)所示。由此可见所示。由此可见
20、知知光谱变窄，单色性增强是半导体激光光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。过激光器光谱的测量来确定阈值电流。 LD的主要特性的主要特性v 半导体激光器发射的光谱半导体激光器发射的光谱随温度而变化，随温度而变化，GaAs激光器激光器在在77K下，其光谱宽度为百分下，其光谱宽度为百分之几微米，室温下宽度为千分之几微米，室温下宽度为千分之几微米，目前分布反馈型激之几微米，目前分布反馈型激光器的谱宽只有光器的谱宽只有10-4 m左右。左右。另一方面，温度升高时，激光另一方面，温度升高时，激光峰值向长波方向移动，
21、这是由峰值向长波方向移动，这是由于禁带宽度随温度升高而变小，于禁带宽度随温度升高而变小，因而发射光子的频率变小的原因而发射光子的频率变小的原故（故（Eg=hv）。）。右图表示激光右图表示激光峰值位置随温度变化的情况，峰值位置随温度变化的情况，纵坐标分别是禁带宽度的能量纵坐标分别是禁带宽度的能量值和对应的波长值。值和对应的波长值。 LD的应用的应用v光纤通信系统的光源光纤通信系统的光源v光学测量系统的光源光学测量系统的光源v其他应用其他应用LD与LED的比较 v 半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）与半导体）与半导体激光二极管（激光二极管（LD）在结构上的）在结构上的根本区别根本区别就是
22、它没有光学谐振腔，形不成激光。就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。光，而不是激光。 LD的优点1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为其谱宽度一般为0.030.04m。3）由
23、于）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在的发散角一般在4020范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。左右。4)LD的输出光强及效率较高，的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较的输出光强及效率较低。低。LD的缺点v1)温度特性较差。温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故，故其输出功率也依赖于其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温。发光二极管没有阈值电流，故其温
24、度特性较好。度特性较好。v2）易损坏，寿命短。）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。管使用寿命。v3）半导体激光器价格昂贵，发
25、光二极管比较便宜。）半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较便宜。v4）半导体激光器的）半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。大，调制时的动态范围相对较小。选择选择v 由于半导体激光器的上述特点。一般由于半导体激光器的上述特点。一般在不需要特别大的发光功率及远距离传在不需要特别大的发光功率及远距离传输等特殊场合，常使用半导体发光二极输等特殊场合，常使用半导体发光二极管，一般的光电传感器如光栅传感器，管，一般的光电传感器如光栅传感器，光纤传感器等，大多使用发光二极管，光纤传感器等，大多使用发光二极管，而在大容量、远距离光纤通信中宜使用而在大容量、远距离光纤通信中宜使用半导体激光器。半导体激光器。
