半導(dǎo)體發(fā)光二極管課件

三.光源

1光源信號(hào)調(diào)制光纖光纖光探測(cè)器信號(hào)處理外界參量光源信號(hào)光纖光纖光探信號(hào)外界參量2本講提要傳感器用的主要光源、發(fā)光機(jī)理及其特性。本講提要傳感器用的主要光源、發(fā)光機(jī)理及其特性。3光纖通信所以成功的兩個(gè)主要原因低損耗光纖的問世激光源的問世光纖傳感器中，光源具有同樣重要的地位。光纖通信所以成功的兩個(gè)主要原因光纖傳感器中，光源具有同樣重要4光纖傳感器所用光源必須與

光纖傳感器的特點(diǎn)相容

體積小，便于和光纖耦合。光源發(fā)出的光波長的選擇，應(yīng)盡量減小在光纖中傳輸?shù)哪芰繐p耗。光源有足夠大的功率，以保證質(zhì)量合適的光到達(dá)探測(cè)器，確保足夠大的信噪比。具有良好的穩(wěn)定性，可在室溫下連續(xù)長期的工作。使用壽命長。價(jià)格低。光纖傳感器所用光源必須與

光纖傳感器的特點(diǎn)相容

體積小，便于5光子的基本屬性光具有波粒二象性，研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，其粒子屬性較為明顯。光子的能量ε與光頻率γ的關(guān)系：ε=hγ;h為普朗克常數(shù)。光子靜止質(zhì)量：m=0光子運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：m=ε/c2光子動(dòng)量p=mc光子具有兩種可能的偏振態(tài)光子具有自旋發(fā)光機(jī)理光子的基本屬性光具有波粒二象性，研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，其6原子能級(jí)和簡并度

原子的能量由周圍軌道上運(yùn)動(dòng)的電子的動(dòng)能和勢(shì)能之和表示。特定原子的能量只能取特定的某些分離值，稱為能級(jí)?；鶓B(tài)：能量最低的能級(jí)狀態(tài)。激發(fā)態(tài)：能量高于基帶的其他能級(jí)狀態(tài)。簡并度：同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目。發(fā)光機(jī)理原子能級(jí)和簡并度原子的能量由周圍軌道上運(yùn)動(dòng)的7原子的分布

熱平衡狀態(tài)下，絕大多數(shù)原子都處于較低的能級(jí)，只有少量原子處于高能級(jí)。服從波爾茲曼分布：k=1.38*10-23波爾茲曼常數(shù)；T為熱平衡時(shí)的絕對(duì)溫度；Ni為處在Ei能級(jí)的原子數(shù)；gi為Ei能級(jí)的簡并度。發(fā)光機(jī)理原子的分布

熱平衡狀態(tài)下，絕大多數(shù)原子都處于較低的能級(jí)，只有8光與物質(zhì)相互作用的三種基本過程

光的自然輻射光的受激輻射光的受激吸收

發(fā)光機(jī)理光與物質(zhì)相互作用的三種基本過程光的自然輻射發(fā)光機(jī)理9光的自然輻射

處在高能級(jí)E2的原子，在沒有外界的影響下，自發(fā)的從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)釋放出能量為hγ的光子，且：hγ=E2-E1

特點(diǎn)：自發(fā)發(fā)射只存在從高能級(jí)到低能級(jí)的過程,從E1到E2自發(fā)躍遷率為零。不受外界的影響，不能人為控制。自發(fā)躍遷概率和光場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)發(fā)光機(jī)理光的自然輻射

處在高能級(jí)E2的原子，在沒有外界的影響下，自發(fā)10光的受激輻射處在高能級(jí)E2的原子,受到外來能量ε=hγ=E2-E1的光照射時(shí)，由于外來光的激勵(lì)而躍遷到低能級(jí)E1，同時(shí)釋放出一個(gè)與外來光子完全相同的光子。

特點(diǎn)：外來光子能量滿足ε=hγ=E2-E1時(shí)，才能引起受激輻射。受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同。外來光得到了放大。受激輻射的光為相干光。受激輻射概率和感應(yīng)光場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。光的受激輻射11光的受激吸收處在低能級(jí)E1的原子吸收外來能量ε=hγ=E2-E1，由于外來光的激勵(lì)而躍遷到高能級(jí)E2。

特點(diǎn)：外來光子能量滿足ε=hγ=E2-E1時(shí)，才能引起受激吸收。與光的受激輻射過程相反，且發(fā)生的概率相同。受激吸收概率和感應(yīng)光場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。光的受激吸收12原子的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射原子的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射13吸收媒質(zhì)N2＜N1，在這種媒質(zhì)中，受激吸收過程占主要地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時(shí)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收。當(dāng)原子系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有

式中:k是玻爾茲曼常數(shù);K是絕對(duì)溫度。在熱平衡系統(tǒng)中，N2總是小于N1，光波總是被吸收。吸收媒質(zhì)14放大媒質(zhì)N2＞N1，在這種媒質(zhì)中，受激輻射占主導(dǎo)地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時(shí)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律增加，光波被放大。N2＞N1的媒質(zhì)是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或集居數(shù)反轉(zhuǎn)，這種媒質(zhì)對(duì)應(yīng)于激光型放大的情況。放大媒質(zhì)15光的放大

外界向物質(zhì)提供能量，使得物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)集居數(shù)的反轉(zhuǎn)，從而為光放大提供了條件。用強(qiáng)光來進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，則稱為光泵浦。在外界激勵(lì)下，受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同。外來光得到放大。光的放大

外界向物質(zhì)提供能量，使得物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)，實(shí)16幾種主要的光源光源分為兩大類：相干光源：基于原子受激輻射發(fā)光，例如：激光器非相干光源：基于原子自發(fā)輻射發(fā)光，例如：白熾燈，半導(dǎo)體發(fā)光二極管幾種主要的光源17白熾燈------非相干光源

熱光源的一種，它是靠電能加熱金屬絲，使得它在真空或者惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光。光譜范圍：400~3000nm，光譜最大值的位置取決于熾熱體溫度。燈絲：鎢優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)高，電阻大，蒸發(fā)率小，強(qiáng)度大，加工容易。缺陷：提高燈絲的溫度，可以提高發(fā)光效率，但是鎢在高溫下，揮發(fā)快，燈絲變細(xì)，玻璃殼發(fā)黑，影響亮度，影響壽命。改進(jìn)：鹵鎢燈優(yōu)點(diǎn)：燈絲蒸發(fā)出來的鎢分子，在管壁附近與鹵族元素化合產(chǎn)生揮發(fā)性的鹵化鎢分子，鹵化鎢分子擴(kuò)散到高溫的燈絲附近，再次分解為鹵族元素和鎢分子，實(shí)現(xiàn)了鎢分子的再生循環(huán)。光通量穩(wěn)定、壽命長。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，管壁溫度高。白熾燈------非相干光源

熱光源的一種，它是靠電能加熱金18激光器—相干光源產(chǎn)生激光震蕩的三個(gè)要素：激光物質(zhì)，光諧振器，激發(fā)裝置激發(fā)裝置：將能量輸入激光物質(zhì)，使其實(shí)現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)。用強(qiáng)光進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，則稱為光泵浦。光諧振器：提供光學(xué)正反饋,控制震蕩光束的特性激光物質(zhì)：激光器的核心，處于集居數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過一連串的連鎖反應(yīng)（自發(fā)輻射受激輻射受激輻射）產(chǎn)生受激輻射。激光器—相干光源19半導(dǎo)體發(fā)光二極管ppt課件20半導(dǎo)體發(fā)光二極管ppt課件21激光的特性單色性：用頻譜分布的寬度，即譜線寬度來表示，頻帶越窄，光源單色性越好。相干性：不同時(shí)刻空間不同點(diǎn)上兩個(gè)光波場(chǎng)的相關(guān)程度。激光的高度空間相干性使得激光束在空間發(fā)散角極小。方向性：空間發(fā)散角小。不同類型的激光器方向性的差別很大，它與工作物質(zhì)良好的均勻性，光腔類型，腔長、激勵(lì)方式等有關(guān)。方向性由好到差依次為：氣體激光器，固體激光器，半導(dǎo)體激光器高強(qiáng)度：高的輸出功率。激光的特性22固體、氣體激光器固體激光器：激光物質(zhì)為固體，可以產(chǎn)生很高的脈沖功率；適用于傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)中高功率相干光源。氣體激光器：激光物質(zhì)為氣體，可以產(chǎn)生很高的連續(xù)功率。適用于要求高度相干光源的傳感器。固體、氣體激光器23固體激光器示意圖固體激光器示意圖24類型固體激光器：

Nd:YAG激光器（釹釔鋁石榴石晶體激光器）波長---1.06um氣體激光器：He-Ne激光器波長---0.6382um, 1.15umAr離子激光器波長---0.516umCO2激光器波長---紅外波段KrF激光器波長---248nm

類型25半導(dǎo)體光源

半導(dǎo)體晶體的特點(diǎn)是許多離散的能級(jí)形成能帶。能帶分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶。本征（純凈）半導(dǎo)體在絕對(duì)零度的理想狀態(tài)由一個(gè)被電子完全充滿的價(jià)帶和一個(gè)完全沒有電子的導(dǎo)帶組成，二者之間是禁帶。這時(shí)半導(dǎo)體是一個(gè)不導(dǎo)電的絕緣體。但是，本征半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，在熱運(yùn)動(dòng)或其他外界因素的作用下,價(jià)帶的電子激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶.這時(shí)導(dǎo)帶有了電子,價(jià)帶有了空穴，使本征導(dǎo)體形成導(dǎo)電特性。半導(dǎo)體光源

半導(dǎo)體晶體的特點(diǎn)是許多離散的能級(jí)形成能帶。能帶分26半導(dǎo)體發(fā)光二極管ppt課件27在熱平衡時(shí)，電子在能帶中能級(jí)上的分布服從費(fèi)米分布，即能級(jí)E被電子占據(jù)的幾率為：式中，是費(fèi)米能級(jí)。它是半導(dǎo)體能級(jí)的一個(gè)特征參數(shù)，并非實(shí)在的能級(jí)，由介質(zhì)材料摻雜濃度和溫度決定，反映電子在能級(jí)上的分布情況。對(duì)本征半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)在禁帶寬度中間位置。K是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。在熱平衡時(shí)，電子在能帶中能級(jí)上的分布服從費(fèi)米分布，即能級(jí)E被28PN結(jié)的形成

半導(dǎo)體材料加進(jìn)施主雜質(zhì)時(shí)，成為含有大量自由電子的N型材料。半導(dǎo)體材料加進(jìn)受主雜質(zhì)時(shí)，成為含大量空穴的P型材料。如果一塊晶片采用不同摻雜工藝使一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在P型和N型交界處形成PN結(jié)。PN結(jié)的形成

半導(dǎo)體材料加進(jìn)施主雜質(zhì)時(shí)，成為含有大量自由電子29PN結(jié)PN結(jié)30PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)正向偏置：外加電壓打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過了漂移運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴將通過PN結(jié)源源不斷地流向N區(qū)，N區(qū)的電子也流向P區(qū)，形成正向電流。由于P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。同時(shí)通過自發(fā)發(fā)射或受激輻射復(fù)合和發(fā)光。PN結(jié)反向偏置：外電場(chǎng)的方向和自建場(chǎng)相同，多數(shù)載流子將背離PN結(jié)的交界面移動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)正向偏置：外加電壓打破了原來的動(dòng)31當(dāng)注入電子在PN結(jié)附近與空穴復(fù)合時(shí)，將發(fā)出某種光頻率的電磁輻射。復(fù)合發(fā)出的光波波長由禁帶寬度決定式中，是普朗克常數(shù)，=4.13570*10-15；c是光速；是取決于半導(dǎo)體材料的固有值。當(dāng)注入電子在PN結(jié)附近與空穴復(fù)合時(shí)，將發(fā)出某種光頻率的電磁輻32并非所有材料在諸如電子與空穴復(fù)合時(shí)都發(fā)出有用的光波。在電子和空穴復(fù)合時(shí)，也有一些材料釋放的能量變成熱耗散沒有產(chǎn)生光，有一些則可能一部分變成熱能而另一部分產(chǎn)生光。半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）等材料在諸如電子和空穴復(fù)合時(shí)，發(fā)出有用的光輻射概率很大，因此被廣泛的用作為半導(dǎo)體發(fā)光材料。并非所有材料在諸如電子與空穴復(fù)合時(shí)都發(fā)出有用的光波。在電子和33BandgapEnergyandwavelengthofvarioussemiconductors

各種半導(dǎo)體材料的帶隙能量和發(fā)光波長Gallium:鎵Phosphide:磷化物Aluminum:鋁Arsenide:砷化物Indium:銦BandgapEnergyandwavelength34帶隙輻射時(shí)導(dǎo)帶中多余電子降至價(jià)帶的結(jié)果，屬于自然輻射（常稱為熒光）。由于自然輻射的復(fù)合發(fā)光機(jī)構(gòu)、相位和輻射方向是不可能完全相同的，能捕獲參與輻射的載流子的能級(jí)也很多，因此，自然輻射產(chǎn)生的光不會(huì)具有單一的發(fā)光波長。發(fā)光二極管的發(fā)光就是基于自然輻射。帶隙輻射時(shí)導(dǎo)帶中多余電子降至價(jià)帶的結(jié)果，屬于自然輻射（常稱為35當(dāng)自然輻射所產(chǎn)生的光子通過晶體時(shí)，一旦經(jīng)過已激發(fā)的電子附近，該電子就以某種幾率受到光子的激勵(lì)，來不及自然輻射就和空穴復(fù)合放出新的光子。這種由光子誘使以激發(fā)電子復(fù)合而放出新光子的現(xiàn)象，稱為受激輻射。如果注入電流足夠強(qiáng)，形成和熱平衡狀態(tài)相反的電子分布（粒子束反轉(zhuǎn)分布），這樣就能形成很大的輻射密度。除克服吸收、散射等損耗外，自然輻射的光激勵(lì)電子復(fù)合過程，被受激勵(lì)輻射加速，激光作用開始，再加上反射反饋，便產(chǎn)生激光。半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光就是基于這種受激輻射。當(dāng)自然輻射所產(chǎn)生的光子通過晶體時(shí)，一旦經(jīng)過已激發(fā)的電子附近，36在光電器件中,自發(fā)發(fā)射、受激輻射和受激吸收過程總是同時(shí)出現(xiàn)的。但對(duì)于各個(gè)特定的器件,只有一種機(jī)理起主要作用。這三種作用機(jī)理對(duì)應(yīng)的器件分別是：發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和光電二極管。工作在熒光區(qū)的半導(dǎo)體光源稱為半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LightEmittingDiode）或LED；工作在激光區(qū)的半導(dǎo)體光源稱為半導(dǎo)體激光二極管（LaserDiode）或LD。在光電器件中,自發(fā)發(fā)射、受激輻射和受激吸收過程總是同時(shí)出現(xiàn)的37半導(dǎo)體發(fā)光二極管ppt課件38LightEmittingDiode(LED)

半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光二極管是用導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。工作原理：它的發(fā)射過程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程。當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子（電子－空穴對(duì)）在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光?！窍喔晒狻ightEmittingDiode(LED)

半導(dǎo)體39LED的PI特性曲線LED的PI特性曲線40結(jié)構(gòu)和分類

按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為邊發(fā)射型和面發(fā)射型。LED既可以用PN同質(zhì)結(jié)制造，也可以用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。但后者能控制發(fā)射面積，且消除了內(nèi)吸收，具有更優(yōu)良的特性。結(jié)構(gòu)和分類

按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為邊發(fā)射型和面41同質(zhì)結(jié)在結(jié)兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。這種結(jié)沒有帶隙差，因而折射率差很小(0.1%-1%)，有源區(qū)對(duì)載流子和光子的限制作用很弱，做成激光器時(shí)閾值電流很大，不能在室溫連續(xù)工作。同質(zhì)結(jié)在結(jié)兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。這種結(jié)沒有帶隙差，因而折42雙異質(zhì)結(jié)

若在寬帶隙的P型和N型(如GaALAs)半導(dǎo)體材料間插進(jìn)一薄層窄帶隙的有源區(qū)材料(如GaAs)，則帶隙差形成的勢(shì)壘將電子與空穴限制在中間復(fù)合發(fā)光，稱為雙異質(zhì)結(jié)。雙異質(zhì)結(jié)中帶隙差的出現(xiàn)也使折射率差增大(可達(dá)5%左右)，使光場(chǎng)亦有效地.限制在有源區(qū)。載流子和光場(chǎng)的限制使激光器的閾值電流密度大大下降，可實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。雙異質(zhì)結(jié)

若在寬帶隙的P型和N型(如GaALAs)半導(dǎo)體材料43LED可以制成面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩種面發(fā)光二極管特點(diǎn)：把發(fā)光的活動(dòng)已限制于小面積，使熱阻減小，能在很高電流密度下工作，具有高的內(nèi)部效率，結(jié)果在正面獲得高的面輻射強(qiáng)度和高運(yùn)行速率。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED用帶隙能量大和內(nèi)部吸收小的材料，獲得的電流密度大于1000A/cm2，且背面反射強(qiáng)，使面輻射強(qiáng)度加大兩倍。面發(fā)光二極管與光纖的耦合效率較低，一般低于10%，主要因?yàn)楫a(chǎn)生的光功率分布在太大的立體角內(nèi)。因此，這種LED僅適用于多模光纖系統(tǒng)。LED可以制成面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩種面發(fā)光二極管特點(diǎn)44雙異質(zhì)結(jié)面發(fā)光LED雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光LED雙異質(zhì)結(jié)面發(fā)光LED雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光LED45邊發(fā)光二極管已經(jīng)非常接近于半導(dǎo)體激光管，只是在設(shè)計(jì)時(shí)抑制反饋的產(chǎn)生，而阻止了受激輻射的產(chǎn)生。光輸出的時(shí)間上是非相干的，但它的空間相干性要比面發(fā)光二極管高的多。因此，邊發(fā)光二極管所產(chǎn)生的總功率小于面發(fā)光二極管，但其亮度卻很高。邊發(fā)光二極管的高亮度有利于與光纖的耦合。因此，這種發(fā)光二極管不僅適用于多模光纖系統(tǒng)，也可用于單模光纖系統(tǒng)。一般常用的有InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光二極管。邊發(fā)光二極管已經(jīng)非常接近于半導(dǎo)體激光管，只是在設(shè)計(jì)時(shí)抑制反饋46基本性質(zhì)1發(fā)散角：光束的發(fā)散角大。發(fā)射譜線：由于是自發(fā)發(fā)射，而導(dǎo)帶和價(jià)帶中都包含很多能級(jí)，所以復(fù)合發(fā)光的光子能量有一個(gè)較寬的范圍，造成譜線較寬。基本性質(zhì)147基本性質(zhì)2

響應(yīng)速度：發(fā)光二極管的響應(yīng)速度受載流子自發(fā)復(fù)合壽命時(shí)間所限制。為減小載流子的壽命時(shí)間，復(fù)合區(qū)往往采用高摻雜或使LED工作在高注入電流密度下。半導(dǎo)體激光器的調(diào)制速率可達(dá)到吉赫茲的數(shù)量級(jí)，而國產(chǎn)LED的調(diào)制速率目前僅為200-300MHz。熱特性：發(fā)光二極管的輸出功率，也隨溫度的升高而減小。但由于它不是閾值器件，所以輸出功率不會(huì)像激光器那樣隨溫度發(fā)生很大的變化，在實(shí)際使用中也可以不進(jìn)行溫度控制。半導(dǎo)體發(fā)光二極管產(chǎn)生的是非相干熒光，輸出功率小，一般光功率峰值最多幾十毫瓦；但是，發(fā)光二極管運(yùn)行電流密度小，管子壽命長，而且輸出光功率—電流特性曲線的線性密度極好。所以它在一些速率不太高、傳輸距離不太長的系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用?；拘再|(zhì)2

響應(yīng)速度：發(fā)光二極管的響應(yīng)速度受載流子自發(fā)復(fù)合48衡量LED性能的還有電學(xué)參數(shù)（如工作電流、正向電流、反向電流等）、熱學(xué)參數(shù)（如結(jié)溫、環(huán)境溫度和貯存溫度等）等。衡量LED性能的還有電學(xué)參數(shù)（如工作電流、正向電流、反向電流49LEDCouplingtoaFiber

LED和光纖的耦合LEDCouplingtoaFiber

LED和光50LEDSpectralCharacteristics

LED光譜特性LEDSpectralCharacteristicsFWHM(FullWidthHalfMaximum)-WidthofspectrumatthepointwheretheintensityfalltohalfofthemaximumvalueAwiderspectrumcausesincreaseddispersion850nm-FWHM=60nm,1300nm(Surface-Emitting)-FWHM=110nm,1300nm(Edge-Emitting)-FWHM=50nmFigure5.1LEDOpticalSpectra(IllustrationcourtesyofForce,Inc.)LEDSpectralCharacteristics

L51LEDTemperatureEffects

LED的溫度特性LEDTemperatureEffects

LED的溫度52PrincipleoftheLaserDiode

激光器的工作原理半導(dǎo)體激光二極管（LD）PrincipleoftheLaserDiode

激53半導(dǎo)體激光器的激射條件有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；存在光學(xué)諧振機(jī)制，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。半導(dǎo)體發(fā)光二極管ppt課件54半導(dǎo)體激光二極管特點(diǎn)既具有半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)，又具有激光的單色性、相干性、方向性好和亮度高的特點(diǎn)，是光纖系統(tǒng)的最佳光源。半導(dǎo)體激光二極管特點(diǎn)既具有半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)，又具有激光的單色55半導(dǎo)體激光二極管同半導(dǎo)體發(fā)光二極管的分界點(diǎn)是門限電流。降低激光管的門限電流是設(shè)計(jì)激光器的關(guān)鍵。采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作的激光二極管將門限電流降低到103A/cm2以下，實(shí)現(xiàn)在室溫下連續(xù)工作。以GaAs雙異質(zhì)結(jié)激光二極管為例，這一激光器中存在著由不同材料形成的兩個(gè)結(jié),而激活區(qū)是GaAs薄層。它在室溫下的門限電流比同質(zhì)結(jié)激光器減少兩個(gè)量級(jí)，因此可以實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種雙異質(zhì)結(jié)GaAs激光器在室溫下可獲得數(shù)十毫瓦的輸出功率，波長位于0.84~0.90um，壽命已超過百萬小時(shí)，是目前光纖系統(tǒng)的最重要光源。半導(dǎo)體激光二極管同半導(dǎo)體發(fā)光二極管的分界點(diǎn)是門限電流。降低激56半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生的激光有多模和單模。由激光二極管的振蕩光譜與工作電流的關(guān)系可知，工作電流剛剛超過門限電流時(shí)，激光二極管產(chǎn)生的是多模振蕩，隨著電流增大，逐漸向單模收斂。此時(shí)器件溫度上升，發(fā)射波長向長波長側(cè)移動(dòng)。因此需要進(jìn)行一些特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能獲得單模輸出。半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生的激光有多模和單模。由激光二極管的振蕩光57激光二極管中模式強(qiáng)度起伏將形成噪聲。因此，單模激光二極管可將噪聲功率降到最小，系統(tǒng)帶寬最大。激光二極管中模式強(qiáng)度起伏將形成噪聲。因此，單模激光二極管可將58TemperaturedependenceofLaserDiode

激光二極管的溫度特性TemperaturedependenceofLase59StructureofapracticalLaserDiode

實(shí)際的激光二極管的結(jié)構(gòu)StructureofapracticalLaser60PhotosofLaserDiode

激光二極管圖片PhotosofLaserDiode

激光二極管圖片61半導(dǎo)體激光二極管缺點(diǎn)工作一定時(shí)期后將逐漸退化，有些特性將變質(zhì)；而這些變化是不可逆轉(zhuǎn)的，最終是使激光管不能使用。最顯著的變化是門限電流值加大，典型激光二極管作壽命實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的光功率-電流特性曲線表明，每隔100~200h測(cè)量一條曲線,約1700h后這激光二極管再不能提供連續(xù)波運(yùn)行。半導(dǎo)體激光二極管缺點(diǎn)工作一定時(shí)期后將逐漸退化，有些特性將變質(zhì)62半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)1閾值性質(zhì)：I＜Ith時(shí)，超輻射狀態(tài)。I＞Ith時(shí)，輸出激光。效率：(1)功率效率（2）內(nèi)量子效率（3）外量子效率半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)1閾值性質(zhì)：I＜Ith時(shí)，超輻射狀態(tài)。I63半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)2外微分量子效率:P－I特性曲線的線性部分的斜率溫度特性：由于半導(dǎo)體激光器外微分量子效率隨溫度地升高而下降；閾值電流隨溫度的升高而變大。半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)2外微分量子效率:P－I特性曲線的線性64激光器的PI曲線半導(dǎo)體激光器（LD）激光器的PI曲線半導(dǎo)體激光器（LD）65激光器的瞬態(tài)性質(zhì)1電光延遲時(shí)間：激光輸出與注入電脈沖之間都存在一個(gè)時(shí)間延遲，一般為納秒的量級(jí)。張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩。張弛振蕩的頻率一般在幾百M(fèi)Hz-2GHz的量級(jí)。自脈動(dòng)現(xiàn)象：激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。激光器激射以后,先出現(xiàn)一個(gè)張弛振蕩的過程，隨后則開始持續(xù)自脈動(dòng)。這種現(xiàn)象并非普遍，往往伴有多光束發(fā)射，并有兩種不同的發(fā)射波長。半導(dǎo)體激光器（LD）激光器的瞬態(tài)性質(zhì)1電光延遲時(shí)間：激光輸出與注入電脈沖之間都存66激光器的瞬態(tài)性質(zhì)2半導(dǎo)體激光器（LD）激光器的瞬態(tài)性質(zhì)2半導(dǎo)體激光器（LD）67激光器的瞬態(tài)性質(zhì)3碼型效應(yīng)：脈沖序列中較長的連“0”以后出現(xiàn)的“1”碼光脈沖的幅度明顯下降。半導(dǎo)體激光器（LD）激光器的瞬態(tài)性質(zhì)3碼型效應(yīng)：脈沖序列中較長的連“0”以后出現(xiàn)68激光器的瞬態(tài)性質(zhì)4結(jié)發(fā)熱效應(yīng)：注入電流的熱效應(yīng)會(huì)引起激光器的閾值電流以及輸出光功率的變化。半導(dǎo)體激光器（LD）激光器的瞬態(tài)性質(zhì)4結(jié)發(fā)熱效應(yīng)：注入電流的熱效應(yīng)會(huì)引起激光器的69IOEM模塊(Integratiedopticselectronicsmodule—集成光電子模塊)

將發(fā)光光源及探測(cè)器以及二者的輔助及激勵(lì)電路，甚至還有運(yùn)算部分集成在一起而構(gòu)成的一個(gè)模塊。它可適用于一些特殊而又有固定場(chǎng)合的光纖傳感器，同時(shí)也代表了一種光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。消除了額外的封裝和引線