【正文】 ， 輸出光束的方向性好 ， 譜線較窄 （ μm時(shí) FWHM寬 30 nm), 調(diào)制帶寬大 （ dB 時(shí)帶寬達(dá) 350 MHz） ， 因此超發(fā)光 LED也非常適合于光纖通信應(yīng)用 。 但與 SLED及 ELED相比 ， 其主要缺點(diǎn)是輸出特性的非線性較大 ,且輸出功率隨溫度的變化非常大 , 使用時(shí)必須制冷 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 SLED的典型結(jié)構(gòu) 。 雙異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)在二極管頂部的 NGaAs襯底上 ， PGaAs 有源層厚度僅為 1～2 μm， 與其兩邊的 NGaAlAs和 PGaAlAs構(gòu)成兩個(gè)異質(zhì)結(jié) ， 限制了有源層中的載流子及光場(chǎng)分布 。 有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖 ， 由于襯底材料的光吸收很大 ， 用選擇腐蝕的辦法在正對(duì)有源區(qū)的部位形成一個(gè)凹坑 ， 使光纖能直接靠近有源區(qū) 。 在 PGaAs一側(cè)用 SiＯ 2掩膜技術(shù)形成一個(gè)圓形的接觸電極 ， 從而限定了有源層中有源區(qū)的面積 ， 其大小與光纖纖芯面積相當(dāng) (直徑為 40～ 50 μm)。 流過有源區(qū)的電流密度約為 2022 A/cm2。 這種圓形發(fā)光面發(fā)出的光輻射具有朗伯分布 ， 如圖 (a) 所示 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 它在 θ I（ θ） =I0 cosθ 其中 ， I0為沿 θ=0方向的輻射強(qiáng)度 。 由圖 (b)可見 ， SLED的輸出有很寬的角向分布 ， 半功率點(diǎn)束寬θ‖=θ⊥ ≈120176。 。 因此 ， 它與光纖的直接耦合效率很低 ， 僅有約 4%。 為了提高耦合效率 ， 可在發(fā)光面與光纖之間形成微透鏡 ， 從而使入纖功率提高 2～ 3倍 （ 見第 ） 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 GaAlAsDHSLED的結(jié)構(gòu) 50 ?m金 屬 電 極凹坑光 輸 出光纖樹脂光 輻 射N G a A s 襯底N A l G a A sP G a A sP A l G a A sP＋ G a A s金 屬 化 層S i O2接 觸 電 極 光 發(fā) 射 區(qū)第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 SLED的光輻射分布 ?I ( ? )I01 . 00 . 509 0 176。 4 5 176。 0176。 4 5 176。 9 0 176。( a )( b )???? ?第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 條形 AlGaAsDHELED的結(jié)構(gòu) 條 形 接 觸6 5 ? mP A l G a A sS i O2N A l G a A s 有 源 層載 流 子 約 束 層N A l G a A sP＋ A l G a A s?┴≈ 30 176。??||≈ 1 2 0 176。150 ?m光 導(dǎo) 層金 屬 化 電 極金 屬 化 電 極3 5 0 ? mN G a A sN G a A s 襯底第 3章 光源與光檢測(cè)器 LED的特性 1. PI特性 LED的輸出光功率 P與電流 I的關(guān)系即 PI特性如圖 。 LED是非閾值器件 ， 其發(fā)光功率隨工作電流的增大而增大 ， 并在大電流時(shí)逐漸飽和 。 LED的工作電流通常為 50～ 100 mA， 這時(shí)偏置電壓為 ～ V， 輸出功率約為幾毫瓦 。 工作溫度提高時(shí) ， 同樣工作電流下 LED的輸出功率要下降 。 例如當(dāng)溫度從 20℃提高到 70℃ 時(shí) ， 輸出功率將下降約一半 。 但相對(duì) LD而言 ， 溫度的影響較小 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 LED的特性 151050S L E DE L E D20 ℃70 ℃20 ℃70 ℃1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 電流 / m A發(fā) 射 功 率 / m W第 3章 光源與光檢測(cè)器 2. 頻譜特性 如前所述 ， LED的工作基于半導(dǎo)體的自發(fā)發(fā)射 。 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶都有許多不同的能級(jí) （ 如圖(a)所示 ） ， 大多數(shù)的載流子復(fù)合發(fā)生在平均帶隙上 ， 但也有一些復(fù)合發(fā)生在最低及最高能級(jí)之間 。 設(shè)平均帶隙為 Eg， 則偏移量 δEg在 kT～ 2kT范圍內(nèi) （ k為玻爾茲曼常數(shù) ， T為結(jié)溫 ） 。 因此 ， LED的發(fā)射波長(zhǎng)在其中心值附近占據(jù)較大的范圍 。 定義光強(qiáng)下降一半的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)變化為輸出譜線寬度 (半功率點(diǎn)全寬FWHM） ， 這就是光源的線寬 , 如圖 (b)所示 。 在室溫下 ， 短波長(zhǎng) LED的線寬約為 25～ 40 nm， 長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的線寬則可達(dá) 75～ 100 nm。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 （ a） 光發(fā)射 。 （ b） 線寬 導(dǎo)帶價(jià)帶10 . 5歸 一 化 光 功率?g? ?( a ) ( b )第 3章 光源與光檢測(cè)器 LED的線寬與許多因素有關(guān) 。 首先 ， 線寬隨有源層摻雜濃度的增加而變寬 。 通常 ， SLED為重?fù)诫s ， ELED為輕摻雜 ， 因此 ELED的線寬稍窄 。 其次 , 載流子在高溫下有更寬的能量分布 ， 因此 ， LED線寬隨溫度升高而加寬 。 大電流時(shí) ， 因結(jié)溫升高而線寬加大 ， 同時(shí)峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng) ， 移動(dòng)速度為 ～ nm/℃（ 短波長(zhǎng)器件 ） 或 ～ nm/℃ (長(zhǎng)波長(zhǎng)器件 )， 因此 ， 光纖色散的影響較嚴(yán)重 ， 限制了傳輸距離和速率 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 3. 調(diào)制特性 LED的光功率輸出可直接由信號(hào)電流來調(diào)制 。 在數(shù)字調(diào)制時(shí) ， 它可由電流源直接調(diào)制； 在模擬調(diào)制時(shí) ， 則先要將 LED直流偏置 。 LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個(gè)參量 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 從 LED的 PI特性可知， 當(dāng)注入電流小時(shí)， 其線性相當(dāng)好； 但當(dāng)注入電流較大時(shí)， 由于 PN結(jié)發(fā)熱而逐漸出現(xiàn)飽和。 因此， 即使對(duì)于線性要求較高的模擬傳輸來說， LED工作在線性區(qū)時(shí)也是非常合適的光源。 但若是對(duì)線性要求特別高（如廣播電視傳輸）， 則常常需要進(jìn)行線性補(bǔ)償。 衡量光源線性指標(biāo)的參數(shù)是總諧波失真（ THD）， 它是指各次諧波總的電功率占總的基波電功率的比率。 在高質(zhì)量電視傳輸時(shí) , 要求光源的諧波失真小于 60～ 70 dB， 但一般 LED的 THD僅能達(dá)到 30～ 40 dB， 因此需要進(jìn)行補(bǔ)償。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 調(diào)制特性的另一個(gè)重要參量是它的調(diào)制帶寬 。 在調(diào)制頻率較低時(shí) ， 交流功率正比于調(diào)制電流 。 但隨著調(diào)制頻率的提高 ， 交流功率會(huì)下降 。 設(shè) LED受頻率 ω的信號(hào)調(diào)制 ， 則它的輸出功率可以表示為 ? ?21)0()(????? PP （ ） 第 3章 光源與光檢測(cè)器 式中， P(0)為直流 (ω=0)時(shí)的光輸出， τ為 LED及驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù)。 對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路， τ主要取決于 LED有源層中少數(shù)載流子的壽命。 在上式中， 當(dāng) ω=1/τ時(shí)， P（ ω） =(0)。 在接收機(jī)中， 檢測(cè)電流正比于光功率， 光功率下降到 ( dB)時(shí)， 接收電功率下降到（ ） 2=， 即 3 dB。 因此， 1/τ就是 LED的 3 dB調(diào)制帶寬或 3 dB 電帶寬， 即 ??? 213 ?dBF（ ） 第 3章 光源與光檢測(cè)器 顯然， 3 dB光帶寬要大于 3 dB電帶寬。 為了提高調(diào)制帶寬， 縮短少數(shù)載流子壽命是惟一的方法。 但載流子壽命 τ取決于輻射復(fù)合（產(chǎn)生光子）壽命 τr與無輻射復(fù)合（不產(chǎn)生光子， 能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式）壽命 τnr。 為了提高調(diào)制帶寬， 應(yīng)使 τr盡量小， 同時(shí)應(yīng)使 τrτnr。 雖然減小有源層厚度 d可以增大調(diào)制帶寬， 但也會(huì)使 LED的發(fā)光效率下降。 因此在 LED的調(diào)制帶寬和效率之間必須采取折衷。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 由于大多數(shù) LED是高摻雜的 ， 因此其內(nèi)量子效率一般在 50%左右 ， 即 η＝ 1/2。 LED的功率帶寬積可表示為 rJehcP???? ?（ ） 對(duì)一定的注入電流來說 ， 它是常數(shù) 。 若增加有源層中的摻雜 ， 則 τr減小 ， 從而使 Δω增大 ， 但同時(shí)功率P按同樣比例減小 ， 這樣 ， 響應(yīng)速度快的 LED的輸出功率不如響應(yīng)慢的 LED的輸出功率大 ， 這已被許多實(shí)驗(yàn)證實(shí) 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 光 檢 測(cè) 器 光檢測(cè)器的基本工作原理如圖 。 光檢測(cè)器由半導(dǎo)體材料制成 ， 當(dāng)光照射到其表面時(shí) ， 價(jià)帶中的電子吸收光子 ， 獲得能量的電子躍遷到導(dǎo)帶 ， 同時(shí)在價(jià)帶中留下了空穴 。 在外加偏置電壓的情況下 ， 電子空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)形成了電流 ， 這個(gè)電流常稱為光生電流 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 圖 半導(dǎo)體光檢測(cè)器的原理 光子電子導(dǎo)帶hfc /e價(jià)帶e U空穴Eg第 3章 光源與光檢測(cè)器 波長(zhǎng)響應(yīng) 根據(jù)量子力學(xué)原理可知 ， 每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的電子只能吸收一個(gè)光子 。 要產(chǎn)生光電流 , 入射光子的能量必須至少等于禁帶寬度 ， 如圖 ， 這導(dǎo)致了對(duì)光頻率 fc或波長(zhǎng) λ的限制 。 設(shè)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為 Eg， 則 gc eEhchf ??? 式中 , c為光速 ， e為電子電荷 。 滿足該限制條件的最大波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng) λ截止 。 表 列出了常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和相應(yīng)的截止波長(zhǎng) 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 由表 ， 最重要的半導(dǎo)體材料 Si和 GaAs不能用作 μm和 μm波長(zhǎng)的光檢測(cè)器 ， 盡管 Ge在這兩個(gè)波段都可用作光檢測(cè)器 ， 但由于其本身的某種缺點(diǎn)也不能用作光檢測(cè)器 。 因而新的復(fù)合半導(dǎo)體材料銦鎵砷 (InGaAs)和銦鎵砷磷 (InGaAsP)被用作 μm 和 μm波長(zhǎng)的光檢測(cè)器 ， Si材料用作 μm波長(zhǎng)的光檢測(cè)器 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 光電轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)度 被光子吸收， 產(chǎn)生了光電流的那部分光信號(hào)能量稱為光檢測(cè)器的量子效率。 對(duì)于高速率、長(zhǎng)距離的系統(tǒng)， 光能量是很重要的 , 因而在設(shè)計(jì)光檢測(cè)器時(shí)應(yīng)使其量子效率 η盡可能地接近 1。 為了獲得如此高的量子效率， 常采用具有一定厚度的半導(dǎo)體平板。 對(duì)于厚度為L(zhǎng)（ μm）的半導(dǎo)體平板， 其吸收的光功率為 P吸收 =(1eαL)Pin （ ） 第 3章 光源與光檢測(cè)器 式中 ， Pin為輸入的光功率 ， α為材料的吸收系數(shù) 。 因此 ， 量子效率為 LinePP ?? ???? 1吸收 () 第 3章 光源與光檢測(cè)器 α與波長(zhǎng)有關(guān) ， 當(dāng)波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)時(shí) ， 其值為零 。 對(duì)于大于截止波長(zhǎng)的光信號(hào)來說 ， 半導(dǎo)體是透明的 ， α的典型值為 104/cm， 因此 ， 為了獲得 η量子效率 ， 半導(dǎo)體厚度需要 10 μm。 光檢測(cè)器的面積選擇得足夠大以使所有的入射光被捕獲 ， 光檢測(cè)器有寬的響應(yīng)帶寬 ， 所以在一定波長(zhǎng)工作的光檢測(cè)器就能工作于更短的波長(zhǎng) 。 設(shè)計(jì)工作于 μm的光檢測(cè)器同樣能用作 μm的光檢測(cè)器 。 第 3章 光源與光檢測(cè)器 光檢測(cè)器常用另一個(gè)參數(shù) ——響應(yīng)度 R來衡量 ， 其定義為光生電流 Ip(A)與輸入光功率 Pin（ W） 之比 ， 即 )/( WAPIRinp?（ ） 因?yàn)槿肷涔夤β?Pin對(duì)應(yīng)于單位時(shí)間 （ 秒 ） 內(nèi)平均入射的光子數(shù) Pin/(hfc)， 而入射光子的量子效率 η部分被吸收 ， 并在外電路中產(chǎn)生光電流 ， 則有 )/( WAhfeRc?? （ ）