【光纤通信MOOC—学习笔记】发光二极管及光源器件

1、发光二极管的结构和工作原理

（1）发光二极管结构

发光二极管（Light Emitting Diodes，简称LED），其工作原理与LD基本相同，只是结构和性能上有所区别。

LD是什么？

LD，即Laserdisc，是受激辐射复合发光器件（LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光的）。

发光二极管是什么？其定义是什么？

发光二极管，是一种在低压直流电（3~5 V）的激发下能够发射近紫外光或可见光的半导体电子器件。它的核心部分与LD一样，也是由P型、N型半导体组成的晶片。

（2）发光二极管工作原理

首先，我们应当知道：P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时，会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

当PN结加反向电压时，少数载流子难以注入故不发光；
当PN结加正向电压时，处于正向工作状态，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

（3）发光二极管特点

LED也采用双异质结的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光。

发光二极管特点
优点	缺点
LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用	光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小

2、光源器件性能参数

（1）LD激光器性能参数

阈值

半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。

只有当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。而这个临界值，就称为激光器的阈值。

阈值电流 $I_{th}$ ：当注入电流大于 $I_{th}$ 时，激光器方可激发出激光。在实际使用中，外加激励能源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。

对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。

激光器效率

衡量激光器转换效率的高低——功率转换效率、量子效率

① 功率转换效率：输出光功率与消耗的电功率之比

② 量子效率：输出光子数与注入电子数之比

温度特性

半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。

阈值电流随温度的升高而加大。这是因为温度上升使异质结势垒的载流子限制作用下降，因此激光器的阈值电流增大。國值电流与温度的变化关系可以表示为：

式中：T为器件的绝对温度，I0为常数，T为激光器材料的特征温度。对于GaAs-GaAlAs半导体激光器，T0= 100 ~ 150K，InGaAsP-InP激光器T0= 40 ~ 70K。T0越大，器件的温度特性越好。

半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。

时间退化特性

激光器的阈值电流不仅随温度变化，而且还与器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，会出现性能退化特性。通常将阈值电流增加50%的时间定义为寿命终了点，此时需要更换激光器。

光谱特性

半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同、尖锐的谱线，称为激光器的纵模。

对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光，谱宽很宽，其光谱宽度常达数10nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式--纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。