发光二极管LED教学教程

第十讲发光二极管LED主要内容一、发光二极管的工作原理二、发光二极管的基本结构三、发光二极管的工作特性发光二极管的工作原理LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型LED高。发光二极管的基本结构球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型发光二极管的工作特性

光谱特性光束空间分布输出光功率特性

频率特性

LED的光谱特性

发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波长的选择，谱线宽，短波长LED谱线宽度为30～50nm。长波长LED的谱线宽度为6～120nm。

1300波长/nm相对光强Δλ=70nm

LED的光束空间分布

正面发光型的半功率点辐射角为120o，侧面发光型的平行发射角为120o，垂直发射角为25o～35o。LED与光纤的耦合效率一般低于10%。

LED的输出光功率特性正面发光侧面发光电流I/mA发射光功率

P/mw0100200300400500

LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50～100mA，输出光功率为几mW，由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百μW。LED的频率响应为：式中，为调制频率，是对应于调制频率的输出光功率，为少数载流子（电子）的寿命，定义为发光二极管的截止频率，当

时，

最高调制频率应低于截止频率。

LED的频率特性

LED的频率响应曲线τe=1.1μsτe=2.1μsτe=6.4μs调制频率f/MHz频率响应101001000100.1

P(f)

LD和LED的一般性能比较

LD

LED工作波长λ/μm1.31.551.31.55谱线宽度Δλ/nm1～21～3

50～10060～120阈值电流Ith/mA20～3030～60

工作电流I/mA

50～150100～150输出功率P/mW

5～105～10

1～51～3入纤功率P/mW

1～31～30.1～0.30.1～0.2

调制带宽B/MHz500～2000500～1000

50～15030～100辐射角θ/（°）

20×3020×50

30×12030×120寿命t/h106～107105～106108107工作温度/℃

-20～50-20～50

-20～50-20～50三、分布式反馈激光器DBF分布式反馈激光器的工作原理分布式反馈激光器的优点分布式反馈激光器的一般性能分布反馈激光器工作原理

DBF激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光反馈。衍射光栅的折射率为周期性变化，使有源层分布反馈。由有源曾层发出的光从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射，另一部分继续前进，在邻近的光栅波纹峰反射。若两部分反射光相互叠加则产生更强反馈，而其他波长的光将被抵消；虽然每个光栅波纹峰反射光不大，但整个光栅有成百上千的波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。

光栅的周期Λ下式决定：

为材料有效折射率，是布拉格波长，m为衍射系数。在普通DBF激光器中，有两个阈值最低、增益相同的纵摸，其波长为：为光栅长度。在普通均匀光栅中，引入一个λ／4的相移变换，使原来的波峰变波谷，可有效提高模式选择性和稳定性，实现动态单纵摸激光器的要求。

分布式反馈激光器的一般性能工作波长λ/μm1.31.55谱线宽度Δλ/nm1～21～3阈值电流Ith/mA20～3030～60连续波单纵模10-4～10-3输出功率P/mW

20～4015～30

直接调制单纵模

0.04～0.5(1Gb/s.Hz)边模抑制比/dB30～35频谱漂移/（nm/℃）

＜0.08外量子效率ηd/%

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