半导体发光二极管
本部分介绍 LED 的定义和特性
定义
除半导体激光器外，发光二极管 LED 也是光纤通信中常用的光源。
发光二极管可以看作是直接带隙的半导体材料制作的 PN 结二极管，相对于激光器而言，其原理和构造相对简单。
基本原理
发光二极管 LED 是非相干光源，它的发射过程主要是光的自发辐射过程。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，发光过程中 PN 结也不一定需要粒子数反转。当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，这就是发光二极管的基本原理。
半导体发光二极管 LED 是一种正向偏置的 PN 结，注入少数载流子通过自发辐射过程进行复合产生激光。
其特点与半导体激光器比较，属于非相干光源，自发辐射为主，发射荧光过程，无光学谐振腔，不一定需要粒子数的反转，非阈值电流，输出功率基本与注入电流成正比。
结构分类
根据把光输出耦合到光纤上的形式，分为面发射型和边发射型两种基本结构。分别为面发光二极管 SLED 和边发光二极管 ELED。
基本特性
P-I 特性
LED是一种非阈值器件，其发光功率随工作电流的增大而增大，呈线性关系，在大电流时逐渐趋于饱和。
输出光功率特性
- 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率低于百分之十。
- 驱动电流 I 较小时，P-I 曲线的线性较好，
- I 过大时，由于 P-N 结发热产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减小。
- 在通常工作条件下，LED 的工作电流为 50-100 mA，输出光功率为几毫瓦。
- 由于光束辐射较大，入纤光功率仅有几百微瓦。
光谱特性
- LED的工作基于半导体自发辐射，因此LED谱线宽度较宽，调制效率低。
- 发光二极管发射自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。
- 一般短波长谱线宽度为 30-50 nm，
- 长波谱线宽度为 60-120 nm。
- 随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动。
- 短波长LED的移动分别为 0.2 - 0.3 nm/℃，
- 长波长LED的移动分别为 0.3 - 0.5 nm/℃。
温度特性
当工作温度提高时，同样工作电流下，LED的输出功率要下降。相对而言，温度的影响比LD小。
远场特性
LED的发散角大，与光纤的耦合效率低。
响应速度
响应速度比LD低，边发光约 300MHz，面发光 17-35MHz。
发光效率
发光效率是描述发光二极管电光能量转换的重要参数。分为内量子效率和外量子效率。
内量子效率代表有源区内部产生光子数与注入的电子空穴对数之比，即单位时间内产生的光子数比上单位时间内注入的电子及空穴对数。发光二极管的内量子效率可以做得很高，有时甚至可以接近百分之百。
但实际的发光二极管输出光子数远低于有源区所产生的光子数。一是由于发光区产生的光子被其他部分材料吸收，另一方面由于 P-N 结的波导效应，光子能溢出界面的数目大大减小。
所以发光二极管的外量子效率即总效率为 输出的光子数 比上 注入的总电子数。
调制特性
| LD | LED | |||
|---|---|---|---|---|
| 工作波长 \(\lambda/\mu m\) | 1.3 | 1.55 | 1.3 | 1.55 |
| 谱线宽度 \(\Delta\lambda/nm\) | 1~2 | 1~3 | 50~100 | 60~120 |
| 阈值电流 \(I_{th}/mA\) | 20~30 | 30~60 | - | - |
| 工作电流 \(I/mA\) | - | - | 100~150 | 100~150 |
| 输出功率 \(P/mW\) | 5~10 | 5~10 | 1~5 | 1~3 |
| 入纤功率 \(P/mW\) | 1~3 | 1~3 | 0.1~0.3 | 0.1~0.2 |
| 调制带宽 \(B/MHz\) | 500~2000 | 500~1000 | 50~150 | 30~100 |
| 辐射角 \(\theta/(^{\circ})\) | 20×50 | 20×50 | 30×120 | 30×120 |
| 寿命 \(t/h\) | \(10^{6}\)~\(10^{7}\) | \(10^{5}\)~\(10^{6}\) | \(10^{8}\) | \(10^{7}\) |
| 工作温度/℃ | -20~50 | -20~50 | -20~50 | -20~50 |