《光纖通信與數(shù)字傳輸》課件-17發(fā)光二極管

光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)谑咧v：發(fā)光二極管

1/10一、LED的結(jié)構(gòu)和工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無(wú)閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。LED結(jié)構(gòu)與LD類似，多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒(méi)有解理面，即沒(méi)有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。結(jié)區(qū)加正向電壓，注入非平衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。2/10二、LED分類LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。正面發(fā)光型：驅(qū)動(dòng)電流小，輸出功率大；側(cè)面發(fā)光型：驅(qū)動(dòng)電流大，輸出光功率小，但光束輻射角較小，與光纖耦合效率高，其入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。圖1常用的兩類發(fā)光二極管（LED）3/10三、性質(zhì)發(fā)射熒光，屬自發(fā)輻射，無(wú)需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不是閾值器件發(fā)射譜線寬，無(wú)諧振腔，無(wú)“選頻”作用響應(yīng)速度低，方向性差，發(fā)散角大溫度性能好，輸出光功率線性范圍寬制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉壽命長(zhǎng)，可靠性高應(yīng)用于小容量、短距離的系統(tǒng)中4/10四、LED的工作特性（1）光譜特性

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖2是InGaAsPLED的輸出光譜。譜線寬，短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAs為30～50nm，長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP為60~120nm。隨溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流加大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)分別移動(dòng)0.2～0.3nm/oC和0.3～0.5nm/oC。圖2InGaAsPLED的發(fā)光光譜5/10四、LED的工作特性

（2）輸出光功率特性兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P?I曲線的線性較好；當(dāng)I過(guò)大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P?I曲線的斜率減小。圖3發(fā)光二極管（LED）的P?I特性正常工作條件下，工作電流為50～100mA，輸出光功率幾mW，而入纖功率只有幾百微瓦。6/10（3）光束的空間分布在垂直于發(fā)光面上，正面發(fā)光LED，輻射圖呈朗伯分布，即P(θ)=P0Cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ≈120o,側(cè)面發(fā)光LEDθ平行≈120o，θ垂直≈25o～30o，耦合效率一般小于10％。（4）溫度特性由于LED是無(wú)閾值器件，因此溫度特性較好。（5）耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。（6）調(diào)制特性調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。7/10五、LD與LED比較：LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。半導(dǎo)體光源的應(yīng)用LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。8/10LD和LED的一般特性LDLED工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.551.31.55譜線寬度Δλ/nm1~21~350~10060~120閾值電流Ith/mA20~3030~60工作電流I/mA100~150100~150輸出功率P/mw5~105~101~51~3入纖功率P/mw1~31~30.1~0.30.1~0.2調(diào)制帶寬B/Mz500~2000500~100050~15030~100輻射角θ/(o)20×5020×5030×12030×120壽命t/h106~107105~106108107工作溫度/℃-20～50-20～50-20～50-20～509/10工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.55譜線寬度Δλ/nm連續(xù)波單縱模10-4~10-3直接調(diào)制單縱模0.04~0.5(1Gb/s,RZ30~35)邊摸抑制比/dB30~35頻譜漂移/(nm/℃)<0.08閾值