光纤通信原理 chap3-1

1、1 通信用光器件 通信用光器件可以分为通信用光器件可以分为有源器件有源器件和和无源器件无源器件两两 种类型。种类型。 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号光纤通信中，需要有光源发光，将电信号 转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化 为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电光电 器件器件，或，或有源器件。有源器件。 对光信号进行处理的器件称为对光信号进行处理的器件称为无源器件无源器件。 2 2 光有源器件 定义：需要外加能源驱动工作的光器件 半导体光源半导体光源(LD,LED)(LD,LED) 半导体光

2、探测器半导体光探测器(PD:PIN,APD(PD:PIN,APD） 光纤激光器（光纤激光器（OFL:OFL:单波长、多波长）单波长、多波长） 光放大器光放大器(SOA,EDFA)(SOA,EDFA) 光波长变换器光波长变换器 光调制器光调制器 光开关光开关/ /路由器路由器 3 3 光无源器件 定义：不需要外加能源驱动工作的光器件 光纤连接器（固定、活动）光纤连接器（固定、活动） 光纤定向耦合器（波长相关性不强）光纤定向耦合器（波长相关性不强） 光波分光波分/ /密集波分复用器（密集波分复用器（WDM/DWDMWDM/DWDM，波长相关性，波长相关性 强强) ) 光衰减器（固定、可变）光衰减器

3、（固定、可变） 光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅 4 4 光器件与电器件的类比 5 3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用 6 3.1 光源光源 光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信

4、号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激半导体激 光二极管或称激光器光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发和发光二极管或称发 光管光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器固体激光器。 本节首先介绍半导体激光器半导体激光器(LD)的工作原理、 基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更 优良的分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB - LD)，最后介绍 可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管发光管(LED)。 7 8 3.1.1 半导体激光器工作原理和半导体激光器工作原理和 基本结构基本结构 半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布粒子数反转分布，

5、产生受激辐射受激辐射， 再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而 产生激光振荡激光振荡的。 9 原子核 电子 高能级 低能级 孤立原子的能级 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。 电子优先抢占低能级 10 N个原子构成晶体时的能级分裂 N = 4 N = 9 当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带 11 1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是光和物质相互作光和物质相互作 用的效应用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低 能级E1称为基态，能量比基态大的能级 Ei(i=2

6、, 3, 4 )称为激发态。 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激 发态之间的跃迁有三种基本方式： (见图3.1) 12 hf12 E2 E1 E2 E1 (a) 受激吸收；(b) 自发辐射； hf12 E2 E1 E2 E1 hf12 E2 E1 E2 E1 (c) 受激辐射 13 14 15 16 (1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作 用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上， 这种跃迁称为受激吸收受激吸收。电子跃迁后，在低能级 留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。 (2)自发辐射自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的 作用， 也会自动

7、地跃迁到低能级E1上与空穴复合， 释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为 自发辐射自发辐射，见图3.1(b)。 (3)受激辐射受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃 迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光 辐射，这种跃迁称为受激辐射受激辐射，见图3.1(c)。 17 受激辐射受激辐射和受激吸收受激吸收的区别与联系 受激辐射受激辐射是受激吸收受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两 个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子 能量都要满足波尔条件波尔条件，即 E2-E1=hf12 (3.1) 式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数普朗克常数，f12为 吸收或辐射的

8、光子频率。 受激辐射受激辐射和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与 入射光相同，这种光称为相干光相干光。 自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁 产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位 和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。 18 产生受激辐射受激辐射和产生受激吸收受激吸收的物质是不同的。 设在单位物 质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1 和N2。 当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布 )exp( 12 1 2 kT EE N N (3.2) 式中， k=1.38110-2

9、3J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是 因为电子总是首先占据低能量的轨道。 19 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2， 且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当光通过 这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸吸 收物质收物质。 如果N2N1，即受激辐射受激辐射大于受激吸收受激吸收，当光通过 这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激激 活物质活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反， 所以称为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。

10、 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个 问题将在下面加以叙述。 20 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 21 满带：满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性 能带的分类 空带：空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带 禁带的宽度称为带隙 22 导体、绝缘体和半导体 导体： (导)价带电子 绝缘体： 无价带电子 禁带太宽 半导体： 价带充满电子 禁带较窄 外界能量激励 满带电子激励 成为导带电子 满带留下空穴 23 图 3.2 半导体的能带和电子分布 (a)

11、 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 Eg/2 Eg/2 Ef Ec Ev Eg 导带 价带 能量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (a)(b)(c) 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的 能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带 称为价带价带，能量高的能带称为导带导带，导带底的能 量EC 和价带顶的能量EV 之间的能量差EC-EV=EG 称为禁带宽度禁带宽度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。 24 图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理 论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费 米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学

12、温度。Ef 称为费米能级费米能级， 用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 )exp(1 1 )( kT EE Ep f (3.3) 25 硅的晶格结构 硅的晶格结构 (平面图) 本征半导体材料 Si 电子和空穴是成对出现的 Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 E 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电 26 导带 EC 价带 EV 电子跃迁带隙 Eg = 1.1 eV 电子态数量 空穴态数量 电子浓度 分布 空穴浓度分 布 空穴 电子 本征半导体的能带图 电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁 27 非本征半导体材料：非本征半导体材料

13、：n型型 第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。 As除了用4个价电子 和周围的Si建立共价 键之外，还剩余一个 电子 As 5+ 28 导带 EC 价带 EV 施主能级 电子能量 电子浓度分布 空穴浓度分布 施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能级型材料，施主能级 第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级 称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近

14、的禁带。 Ef 29 非本征半导体材料：非本征半导体材料：p型型 由于B只有3个价电 子，因此B和周围4 个Si的共价键还少1 个电子 B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴 B3 第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移 U n型p型 耗尽层耗尽层 36 37 势垒 能量 E p c P 区 E n c E f E p v N 区 E n v 零偏压时P - N结的能带倾斜图； 38 h f h f E f E p c E p f E p v E n c n E n v 电子，空穴

15、内部电场 外加电场 正向偏压下P - N结能带图 39 增益区的产生：增益区的产生： 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场 相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小， 扩散增强。电子运动方向与电场方向相反， 便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N 区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益增益 区区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空 穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布，见图3.3(c)。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可 以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射自发辐射 光光。 40 3. 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生：激光振荡的产生： 粒子数反转分布粒子数

16、反转分布（必要条件)+激活物质置于光 学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连 续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2 的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为 法布里 - 珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。 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自发辐射光作为入射光。 41 42 43 阈值条件 光在谐振腔内传播，包括： 1. 增益介质的光放大 2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射 幅度条件：增益能克服损耗 相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位

17、一致 44 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变 量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受 激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就 从部分反射镜透射出来，形成一束笔直的激光。 45 式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数， L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为 式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为 纵模模数.镜面反射有半波损失。激光器只能产生一些离散的波 长。每个波长称为激光器的一个纵模。 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th =+ 21 1 l

18、n 2 1 RRL (3.4) L= q q nL n 2 2 或 (3.5) 46 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 2n 反射镜 光的振幅 反射镜 L (a) 初 始 位 置 光 光 强 输出 OXL (b) 47 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型 （DFB）激光器。 F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图4.9所示。 图4.9 半导体激光器的结构示意图 常用激光器的基本结构常用激光器的基本结构 48 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是 图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。

19、这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成， 不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有 一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称 为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的P型和N型 半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于基片基片 (衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜 构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 49 图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 P Ga 1x Al xA s P GaA s N Ga 1y Al yA s 复合 空穴 异质势垒 E 能 量 (a) (b) (c) n

20、 折 射 率 5% (d) P 光 电子 50 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用 区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP 是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接 触。 目前，光纤通信用的激光器大多采用如图所示的铟镓砷磷 （InGaAsP）双异质结条形激光器。 51 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长发射波长等于禁带宽度禁带宽度Eg(eV)，由

21、式(3.1)得到 h f =Eg gg EE hc24. 1 (3.6) 不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的发射发射 波长波长。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段 式中，f=c/，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到 52 图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。 在直流驱动下， 发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的 相位条件相位条

22、件式(3.5)的波长存在。 这些波长取决于激激 光器纵向长度光器纵向长度L，并称为激光器的纵模纵模。 驱动电流变大驱动电流变大，纵模模数变小纵模模数变小 ，谱线宽度变窄，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和方向方向的选择， 使边模消失边模消失、主模增益主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为单纵模单纵模，这种激 光器称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。 图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可 见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度 变宽。 53 图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 30

23、0 Mb/s数字调制 0 799 800 801 802 Im/mA 40 35 30 25 I=100mA Po=10mW I=85mA Po=6mW I= 8 0mA Po=4mW I=75mA Po=2.3mW L=250m W=12 m T=300K 830 828 832 830 828 832 830 828 826 832 830 828 826 824 836 834 832 830 828 826 824 822 820 (a)(b) 54 2. 激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场近场和远场远场来描述。 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场

24、远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近 场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行 于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决 定，并称为激光器的横模横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w 由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂 直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图 总是单横模单横模。 55 图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 W 10 m 20 m 20 m 30 m 30 m 50 m 10 m 近 场 图 样 0.1rad 远 场 图 样 56 3.-9典型半导体激光器的远

25、场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 80604020 020 406080 T 300 K 辐 射 角 (度 ) 相 对 光 强 (a) (b) 图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为 平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈 椭圆形。 57 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈 值电流以上，每对复合载流子产生的光子数光子数 hf e I p eII hfpp th th d D D / )( / )( (3.7a)

26、 由此得到 )( e th d th II hf pp (3.7b) 式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别 为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。 58 图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。 当IIth 时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率 随驱动电流的增加而增加。 59 图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性 (a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 4060 80 I / mA P / mW 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0

27、.5 0 050100 150I th I / mA P / mW (a) (b) 60 4. 频率特性频率特性 在直接光强调制下， 激光器输出光功率光功率P和调制频率调制频率f 的关系 为 P(f)= 2222 )/(4)/(1 )0( rr ffff p (3.8a) ) 1( 1 2 1 0 II II f thphsp r (3.8b) 式中， 和分别称为弛豫频率弛豫频率和阻尼因子阻尼因子，Ith 和I0分别为阈值电 流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I=0， 低掺 杂浓度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐 振腔内的光子寿命。 r

28、f 61 图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 0.010.1110 0.1 1 10 100 fr 调 制 频 率 f / GHz 相 对 光 功 率 图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数 字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。 62 )( 0 T T Ith=I0 exp(3.9) 5. 温度特性温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式 (3.7b)和图3.10所示。 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1） 激光器的阈值电流阈值电流Ith 随温度温度升高而增大增大

29、（2）外微 分量子效率量子效率d随温度温度升高而减小减小。 温度升高时，Ith 增大，d减小， 输出光功率明显 下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以 直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更 加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随 温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为 63 式中，I0为常数，T为结区的热力学温度， T0为激光器材料的特征温度。 GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以所以长波长长波长InGaAsP-InP激光器输出光功光功 率率对温度温度的变化更加敏感。 外微分量子效率随温度的变化不

30、十分敏感。 图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度 升高引起阈值电流增加和外微分量子效率 减小，造成的输出光功率特性P - I曲线 的变化。 64 温度升高： - 阈值电流呈指数增长 - 输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射 0 / 0 )( TT th eITI LD的温度特性 温控对LD的正常使用至关重要 65 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 分布反馈分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层有源层沿长度方向 制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅衍射光栅实现光反馈。 这种衍射光栅衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源 层分布式反馈。 分布反馈激光器分布反馈激光器的要求： （1

31、）谱线宽度谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流阈值电流更低 （5）输出光功率光功率更大 66 67 图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈 衍 射 光 栅 有 源 层 N层 P层 输 出 光 光 栅 有 源 层 b a (a)(b) 68 如图3.13所示，由有源层有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如 光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光 线b)。 光栅周期 =m e B n2 (3.10) ne 为材料有效折射率，

32、B为布喇格波长，m为衍射级数。 在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡激光振荡的有两个阈值阈值最低、 增益相同的纵模纵模，其波长为 ) 22 1 ( 2 2, 1 Lne B B (3.11) 69 70 DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以 下优点：优点： 单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄， 波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好 71 3.1.4 发光二极管发光二极管 LD发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异双异 质结质结(DH)芯片芯片，把有源层夹在P型和N型 限制层中间，不同的是LE

33、D不需要光学 谐振腔， 没有阈值。： 正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED 72 73 74 ： 输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制 频率较低；性能稳定，寿命长；输出光 功率线性范围宽；制造工艺简单，价格 低廉；适用于小容量短距离系统 ： (1) 光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光自发辐射光， 没有 谐振腔对波长的选择，谱线较宽谱线较宽，如图 3.15。 75 图 3.15LED光谱特性 1300 / nm 70 nm 76 (2) 光束的空间分布。 在垂直于发光平面上， 正面发光型正面发光型LED辐射图呈 朗伯分布朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率点辐射角

34、120。 侧面发光型侧面发光型LED，120，2535。 由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于 10%。 (3) 输出光功率特性。 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d小于10%。 两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图 3.16。 驱动电流驱动电流I较小时较小时， P - I曲线的线性较好线性较好；I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。 77 LED的的P_I特性曲线特性曲线 原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光 78 式中，f 为调制频率，P( f )为对应于调制频率 f 的输出光功率，e 为少数载流子(电子)的寿命。定义 fc 为发光二极管的截止频率， 当 f = f c =1/(2e)时，|H(fc)|= ， 最高调制频率应低于截止频 率。 2 1 (4) 频率特性。 发光二极管的频率响应可以表示为 |H(f)|= 2 )2(1 1 )0( )( e f P fp (3.12) 图3.17示出发光二极管的频率响应， 图中显示出少数载流子的寿 命e和截止频率截止频率 fc 的关系。 对有源区为低掺杂浓度的LED， 适当增加增加工作电流工作电流可以缩短缩短载流载流 子寿命子寿命，