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1、發(fā)光二極管（LED）,發(fā)光二極管是一種冷光源，是固態(tài)P-N結(jié)器件，加正向電流時(shí)發(fā)光。它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱轉(zhuǎn)換過程，其發(fā)光機(jī)制是電致發(fā)光，輻射波長在可見光或紅外光區(qū)。由于發(fā)光面積小，故可以視為點(diǎn)光源。 在光纖系統(tǒng)中作為光源使用的發(fā)光二極管與一般用作顯示的發(fā)光二極管不同。,發(fā)光二極管（LED） 工作原理,發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。,發(fā)光二極管（LED） 工作原理,,,,,
2、,,,,,,,,1、發(fā)光二極管的伏安特性曲線,表示發(fā)光二極管性能的參數(shù)有電學(xué)方面的，也有光學(xué)方面的，最基本的是發(fā)光二極管的電流-電壓特性。曲線形狀和普通半導(dǎo)體二極管差不多，電壓值很低時(shí)，幾乎沒有電流；在正向特性一邊，電壓超過1V或1.5V左右時(shí)，電流迅速上升，顯示出歐姆導(dǎo)通特性，這個(gè)電壓值稱為開啟點(diǎn)。開啟點(diǎn)電壓的大小決定于半導(dǎo)體材料。,2、光通密度與電流密度的關(guān)系,總的說來，光通密度隨著電流密度的增加而成正比例增加，但不容易出現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣的特性。對(duì)于一些摻雜不是很高的材料，當(dāng)載流子達(dá)到一定數(shù)值后，光通密度達(dá)到飽和，再增加電流注入時(shí)，光通密度增加很少，甚至不再增加
3、。,3、出光效率,出光效率 是指P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分?jǐn)?shù)。 換句話說，是表示器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。 影響因素： 半導(dǎo)體本身對(duì)光的吸收； 材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的全反射）。,說明及解決措施,由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射率大得多，因此，出射角度不大時(shí)，就已經(jīng)形成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面產(chǎn)生的光透射不出來。即使出射角度很小時(shí)，也會(huì)有一大部分光被反射回去。光線在空氣界面折射時(shí)，按照菲涅爾射定律，有部分能量反射回去。 為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率、低熔點(diǎn)的透明玻璃對(duì)管芯進(jìn)行拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是垂直地入
4、射到空氣界面，所以不會(huì)產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以提高47倍。,LED的特點(diǎn)及應(yīng)用,一、特點(diǎn) 1.LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。 2.LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。,LED的特點(diǎn)及應(yīng)用,、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢(shì)，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。 4、 LED單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小范圍內(nèi)也可使用，，再回上低電壓、低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示
5、燈、信號(hào)燈的使用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。,LED的特點(diǎn)及應(yīng)用,、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場(chǎng)地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。,LED的應(yīng)用,指示燈 在LED的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號(hào)燈， LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數(shù)十萬小時(shí)以上，為普通白熾燈的100倍以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢(shì).,LED的應(yīng)用,數(shù)字顯示用顯示器 利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。點(diǎn)矩陣型如圖示，使LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進(jìn)行數(shù)字顯示，每個(gè)
6、數(shù)字需要行列的矩陣，共需35個(gè)元件。除數(shù)字之外，還可顯示英文字符、羅馬字符、日文假名等，其視認(rèn)性也很好。,,LED的應(yīng)用,平面顯示器 LED還可以用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是，由于LED為固體元件，可靠性高，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗?。豢梢灾谱鲗?duì)于CRT及LCD來說不容易做出的大型顯示器等。 LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點(diǎn)矩陳型等幾大類。,LED的應(yīng)用,目前，用于室內(nèi)、外顯示，采用LED點(diǎn)矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點(diǎn)矩陣型模塊結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由LED發(fā)光點(diǎn)密集排列成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色、多色，甚至全色?；叶瓤梢詮氖?dāng)?shù)階到幾十階分
7、階調(diào)節(jié)。與專用IC相組合，也可由電視信號(hào)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行電視畫面顯示。,LED的應(yīng)用,光源 LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。如電視機(jī)、空調(diào)等的遙控器的光源。在光電檢測(cè)系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來使用。當(dāng)然在這兩個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定限制，如由于LED相干長度短，不適合做為大量程干涉儀的光源；在目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，由于光纖存在色散特性， LED的寬光譜將導(dǎo)致脈沖的展寬，限制系統(tǒng)的通信容量， LED只適合于低速率、短距離光纖通信系統(tǒng)。,半導(dǎo)體激光器（LD）,半導(dǎo)體激光器，也稱激光二極管（Laser Diode，LD），是一種光學(xué)振蕩器。 產(chǎn)生激光要滿足以下條件： 一
8、、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； 二、要有諧振腔，能起到光反饋?zhàn)饔茫纬杉す庹袷?；形成形式多樣，最簡單的是法布里帕羅諧振腔。 三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是增益要大于總的損耗。,LD的諧振腔,LD的閾值條件,光在諧振腔內(nèi)往返一次不衰減的條件為：,式中R1，R2為諧振腔兩個(gè)反射面的反射率， g為增益系數(shù)，L為諧振腔長，為損耗系數(shù)。,總增益,內(nèi)部損耗,端面損耗,+,,總損耗,LD的主要特性,半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性 。 1、伏安特性 半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦浴Ｆ浞蔡匦郧€如圖所示。由于工作時(shí)加正向偏壓，所以其
9、結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來決定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。,正向電壓/ V,LD的主要特性,2.量子效率與閾值電流 在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合，一種叫無輻射復(fù)合。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對(duì)發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率i表示輻射復(fù)合所占的比例。,,由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會(huì)減少，因而又定義了外量子效率 ex.,,LD的主要特性,3.方向特性 普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有 (球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向
10、性要差得多。,LD的主要特性,在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項(xiàng)指標(biāo)更為重要。,LD的主要特性,4.光譜特性 由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價(jià)帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。 半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵(lì)電流而變化，當(dāng)激勵(lì)電流低于閾值電流時(shí)，發(fā)出的光是熒光。這時(shí)的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖 (a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖 (b)所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強(qiáng)是半
11、導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征，因而可通過激光器光譜的測(cè)量來確定閾值電流。,LD的主要特性,半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，GaAs激光器在77K下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾微米，目前分布反饋型激光器的譜寬只有10-4 m左右。另一方面，溫度升高時(shí)，激光峰值向長波方向移動(dòng)，這是由于禁帶寬度隨溫度升高而變小，因而發(fā)射光子的頻率變小的原故（Eg=hv）。右圖表示激光峰值位置隨溫度變化的情況，縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量值和對(duì)應(yīng)的波長值。,LD的應(yīng)用,光纖通信系統(tǒng)的光源 光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的光源 其他應(yīng)用,LD與LED的比較,半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體激光二極管（LD）在結(jié)
12、構(gòu)上的根本區(qū)別就是它沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光。它的發(fā)光限于自發(fā)輻射。它發(fā)出的是熒光，而不是激光。,LD的優(yōu)點(diǎn),1）LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。 2）LD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時(shí)，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.030.04m。 3）由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠(yuǎn)，而LED的發(fā)散角一般在4020范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。 4)LD的輸出光強(qiáng)及效率較高，LED的輸出光強(qiáng)及效率較低。,LD的缺點(diǎn),1)溫度特性較差。由于激
13、光管的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。發(fā)光二極管沒有閾值電流，故其溫度特性較好。 2）易損壞，壽命短。半導(dǎo)體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如P-N結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學(xué)諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是激光二極管所獨(dú)有的，由于這一因素而大大降低了激光二極管使用壽命。 3）半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴，發(fā)光二極管比較便宜。 4）半導(dǎo)體激光器的P-I曲線不如發(fā)二極管的P-I曲線線性范圍大，調(diào)制時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小。,選擇,由于半導(dǎo)體激光器的上述特點(diǎn)。一般在不需要特別大的發(fā)光功率及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍厥鈭?chǎng)合，常使用半導(dǎo)體發(fā)光二極管，一般的光電傳感器如光柵傳感器，光纖傳感器等，大多使用發(fā)光二極管，而在大容量、遠(yuǎn)距離光纖通信中宜使用半導(dǎo)體激光器。,
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