第四章發(fā)光與耦合器件

1、第四章 發(fā)光與耦合器件主要內(nèi)容主要內(nèi)容 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理激光的產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器氦氖激光器光電耦合器件重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理半導(dǎo)體激光器難點(diǎn)內(nèi)容難點(diǎn)內(nèi)容激光的產(chǎn)生一、發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理一、發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理2、ELED的工作原理的工作原理當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓時，結(jié)區(qū)勢壘降低，P區(qū)的空穴載流子p向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子n向P區(qū)擴(kuò)散，p與n在PN結(jié)區(qū)相遇復(fù)合釋放能量而發(fā)光。3、SLED（正面發(fā)光型）的結(jié)構(gòu)（正面發(fā)光型）的結(jié)構(gòu)出射光束時朗伯型，平行于PN結(jié)結(jié)平面的方向光束發(fā)散角為1200，垂直于結(jié)平面的方向，光束發(fā)散角為300。3、制作材料（1）直接帶（直接

2、躍遷）材料：GaAs、GaN、ZnSe等。（2）間接帶（間接躍遷）材料：GaP（3）混晶：GaAs1-xPx4、特點(diǎn)體積小，耐沖擊，壽命長，功耗低，響應(yīng)快，可靠性高，顏色鮮明易與集成電路匹配等。二、特性參數(shù)（一）效率（1）用于非顯示功率效率：輸入的電功率轉(zhuǎn)換成輻射的功率的效率。%100iepPP光學(xué)效率：外量子效率與內(nèi)量子效率的比。qiqoo 量子效率：注入載流子復(fù)合而產(chǎn)生的光量子效率，可分為內(nèi)量子效率外量子效率。 內(nèi)量子效率：輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子數(shù)與激發(fā)時注入的電子空穴對數(shù)之比。 外量子效率：射出光子數(shù)與注入電子空穴對數(shù)之比。（2）用于顯示 照明效率：輻射功率轉(zhuǎn)換成光通量的效率。 流明效率：

3、消耗單位功率所得到的光通量。iLPFebPF（2）發(fā)光光譜相對強(qiáng)度波長GaAs0.6P0.4GaP發(fā)光二極管的峰值波長是由材料的禁帶寬度決定的。當(dāng)GaAs1-xPx的x值不同時，峰值波長在620680nm之間變化，譜線半寬度大約為2030nm，GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。（三）出光特性（四）伏安特性電壓電流mkTeViiexp0復(fù)合因子（五）發(fā)光亮度與電流的關(guān)系GaP(紅色)GaP(綠色)GaAs1-xPxGa1-xAlxAs光強(qiáng)電流強(qiáng)度RdneiB（六）壽命發(fā)光二極管的亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。一般可達(dá)十萬個小時。隨著工作時間的加長，亮度下降的

4、現(xiàn)象叫老化。它與工作電流密度有關(guān)，隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。（七）響應(yīng)時間標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量。即指器件啟亮與熄滅時間的延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間一般很短。三、應(yīng)用1、數(shù)字、文字以及圖像顯示七段式數(shù)碼管文字顯示器的內(nèi)部接線14劃字碼管2、指示、照明單個發(fā)光二極管可在儀器指示燈，示波器標(biāo)尺，收音機(jī)刻度及鐘表中的文字照明等。目前已有雙色、多色甚至變色的單個發(fā)光二極管。3、光源多用于光纖通信與光纖傳感器中。4、光電開關(guān)、報警、遙控耦合四、國外幾種半導(dǎo)體發(fā)光二極管的主要參數(shù)類型出光面尺寸(um)發(fā)射波長(nm)光譜寬度(nm)截止頻率(MHz)光纖芯徑(um)數(shù)值孔徑耦合方式進(jìn)

5、纖功率(uw)“平底碗”型正面出光500.904025500.66直接耦合1700無波導(dǎo)型側(cè)面出光()0.05*650.8230100900.14直接耦合800集成化透鏡型正面出光401.27100501000.25球端光纖耦合310一、激光的產(chǎn)生（一）受激輻射1、自發(fā)輻射2、受激吸收3、受激輻射（二）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在激光物質(zhì)中，外來的光子可以引起受激輻射，也可能擺受激吸收，而產(chǎn)生激光的必要條件之一就是受激輻射要占主導(dǎo)地位，此時就必須從外部給工作物質(zhì)輸入能量，使處于激發(fā)態(tài)的載流子多于處于基態(tài)的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉(zhuǎn)過來，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。方法：固體激光器：光譜適當(dāng)?shù)貜?qiáng)光燈；氣體激光器

6、：氣體電離；半導(dǎo)體激光器：注入載流子。（三）共振腔（增益超過損耗，產(chǎn)生激光振蕩）1、產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件：腔長恰好等于輻射光半波長的整數(shù)倍。nmL2反射面反射面Lm=1m=22、縱模頻率（共振頻率）共振腔內(nèi)沿腔軸方向形成的各種可能的駐波叫做共振腔的縱模。其頻率稱作縱模頻率：nLmc2（四）產(chǎn)生激光的三個必要條件需要泵源將處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上；實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；要有一個共振腔提供正反饋及增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。二、激光器的類型固體激光器：一般采用光激勵，功率大，但效率低，多模輸出，光的相干性較差，常用于工業(yè)加工，如打孔，焊接等；氣體激光器：一般采

7、用電激發(fā)，效率高，壽命長，單模輸出，光的相干性較高，常用于精密測量，全息照相等；液體激光器：可調(diào)諧，用在光譜學(xué)中；半導(dǎo)體激光器：小巧，耐用，簡單，常用于光通信，光信息存儲等。三、氣體激光器1、一般結(jié)構(gòu)KM2M1AT(套管)G（毛細(xì)管）兩個反射鏡緊貼在放電管的兩端，稱為內(nèi)腔式。輸出不穩(wěn)定，受溫度影響大，但無需調(diào)整。AD（放電管）B（布儒斯特窗）兩個反射鏡與放電管完全分開裝架，稱為外腔式。輸出線偏振光，受溫度影響小，但需經(jīng)常調(diào)整，技術(shù)復(fù)雜，使用不便。KGTKABM1M2一個緊貼放電管的一端，另一個與放電管分開裝架，稱為半外腔式。集中了上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。2、氦氖激光器發(fā)出3種波長的譜線：0.6328

8、um(桔紅色),1.15um,3.39um；工作物質(zhì)為氦氖混合氣；優(yōu)點(diǎn)：單色性好，譜線寬度只有1017m，相干長度達(dá)幾十公里；方向性強(qiáng)，光束發(fā)散角很??；結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，性價比高。四、固體激光器1、一般結(jié)構(gòu)XL激光棒L放在螺旋狀燈X的里面，棒的端面鍍有反射膜。M1M2L激光棒放在橢圓柱面鏡的一條焦線上，作光泵用的氙燈放在另一條焦線上，兩反射鏡與激光棒分離。2、紅寶石激光器工作物質(zhì)為摻有Cr2O3的人造寶石單晶；輻射波長為694.3nm的激光；特點(diǎn)：較高的泵浦能量閾值；峰值功率可達(dá)1050mw，脈寬為1020ns；三能級系統(tǒng)五、半導(dǎo)體激光器1、PN結(jié)型半導(dǎo)體激光器的一般結(jié)構(gòu)法布里泊羅共振腔：將

9、工作物質(zhì)制成PN結(jié)并切成長方塊，為實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，結(jié)區(qū)的兩側(cè)都要求是重?fù)诫s半導(dǎo)體材料，使費(fèi)米能級分別進(jìn)入導(dǎo)帶及價帶內(nèi)。由一對相互平行的解理面或拋物面構(gòu)成，并與結(jié)平面垂直，這對平面構(gòu)成了端部反射器。其余的前后兩面是粗糙的，用來消除主要方向以外的激光作用。這種結(jié)構(gòu)叫法布里泊羅共振腔。2、PN結(jié)型半導(dǎo)體激光器的工作原理3、主要特性（1）激光閾值條件及影響閾值得因素光輸出電流受激輻射自發(fā)輻射Ith剛好抵償吸收與損耗的光子產(chǎn)生率叫閾值。閾值電流：達(dá)到閾值增益時注入的電流密度。PN結(jié)型LD室溫下閾值電流很高，且不能實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)振蕩。閾值電流閾值電流296k195k77k4.2V1/L影響因素：共振腔長度溫

10、度表面反射率單軸向壓力外加磁場強(qiáng)度（2）頻譜分布光強(qiáng)度波長100mA82mA10mA123低于閾值時，自發(fā)輻射，非相干光，譜線寬，如1；高于閾值時，發(fā)生共振，譜線變窄，對應(yīng)峰值波長的頻率為共振頻率（駐波頻率）如圖2，3。相對強(qiáng)度波長電流超過閾值時碲化鉛二極管的激光發(fā)射光譜光強(qiáng)度波長59K20K2K磷化銦激光二極管頻譜分布與溫度的關(guān)系4、異質(zhì)結(jié)激光器（1）單異質(zhì)結(jié)激光器在GaAs的PN結(jié)上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs-AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)。由于GaAsAlxGa1-xAs禁帶寬度不同，因而在界面出形成了較高勢壘，使從N-GaAs注入到P-GaAs中的電子在繼續(xù)向P-AlxGa1-

11、xAs擴(kuò)散時受到阻礙，同沒有這種勢壘存在時比較，P-GaAs層內(nèi)的電子濃度增加，輻射復(fù)合的幾率也提高了。再者，P型鋁鎵砷對來自P型GaAs的發(fā)光吸收系數(shù)小，損耗也較小。由于鋁鎵砷的折射率較砷化鎵低，因而限制了光子進(jìn)入鋁鎵砷區(qū)，使光受到反射面局限在P-GaAs區(qū)內(nèi)，從而少了周圍非受激區(qū)對光的吸收。由于電子光子在異質(zhì)結(jié)面上都受到了限制，減小了損耗，因而降低了閾值。其結(jié)構(gòu)圖能帶圖如下：P-AlxGa1-xAsP-GaAsN-GaAs異質(zhì)結(jié)PN結(jié)結(jié)構(gòu)圖電子空穴N-GaAsP-GaAsP-AlxGa1-xAs2ev1.5ev能帶圖單異質(zhì)結(jié)激光器分布反轉(zhuǎn)區(qū)低溫下閾值電流密度與同質(zhì)結(jié)差不多，大約為8000A

12、/cm2，但在溫度變化下，閾值隨溫度變化小，在室溫下實(shí)現(xiàn)脈沖振蕩。（2）雙異質(zhì)結(jié)激光器在GaAs的一側(cè)為N型AlxGa1-xAs，另一側(cè)為P型AlxGa1-xAs，加正向偏壓時，電子注入作用區(qū)到達(dá)P-GaAsP-AlxGa1-xAs界面，受到勢壘的阻擋而返回，不能進(jìn)入P型AlxGa1-xAs層中去，從而增加了P型GaAs層中的電子濃度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs與P型GaAs之間的勢壘避免了單異質(zhì)結(jié)激光器存在地空穴注入現(xiàn)象，使工作區(qū)電子，空穴濃度加大，復(fù)合幾率增加。另外，由于兩個界面處折射率都發(fā)生較大突變，所以光子被更有效地限制在作用區(qū)內(nèi)。因此，雙異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流進(jìn)一步降

13、低到10003000A/cm2，實(shí)現(xiàn)了室溫下的連續(xù)振蕩，且隨溫度變化也較小。其結(jié)構(gòu)圖能帶圖如下：P-AlxGa1-xAsN-AlxGa1-xAsGaAs異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)NGaAsP空穴電子結(jié)構(gòu)圖能帶圖雙異質(zhì)結(jié)激光器5、分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器（1）結(jié)構(gòu)（動態(tài)單縱模激光器）（2）光柵結(jié)構(gòu)（3）DFB與一般半導(dǎo)體激光器（多縱模振蕩）的比較nm /26、量子阱（QW）激光器生長方向GaAsGaAlAs襯底有源層是由兩種不同材料交替生長組成超薄層一維周期結(jié)構(gòu)，稱為量子阱激光器。當(dāng)薄層的周期厚度等特征尺寸減小到電子平均自由程（50nm）時，整個材料的電子系統(tǒng)進(jìn)入量子領(lǐng)域，并產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。（1）結(jié)構(gòu)

14、（2）超晶格結(jié)構(gòu)組分超晶格：將兩種不同的半導(dǎo)體材料薄層做成重復(fù)相間的多層結(jié)構(gòu)長在一塊晶體上，量子阱激光器就屬于該種；摻雜超晶格：由材料相同但摻雜類型不同的大量重復(fù)相間薄層長在同一塊單晶上形成。（3）優(yōu)點(diǎn)極低的閾值電流（0.55mA）且隨溫度變化極小，甚至預(yù)言量子點(diǎn)（量子線，量子箱，量子阱）激光器不隨溫度變化；高功率輸出，可達(dá)10w；高調(diào)制頻率，窄的線寬。國外半導(dǎo)體激光器的典型參數(shù)激光器的類型閾值電流發(fā)射波長發(fā)散角輸出功率轉(zhuǎn)換效率截止頻率溫度系數(shù)AlGaAs/GaAs1001500.85(1020)*(3050)521100150InGaAsP/InP201.330*40510265一、光電耦合

15、器件的含義特點(diǎn)把發(fā)光器件與光敏元件封裝在儀器構(gòu)成光電耦合器件。這種器件在信息的傳輸過程中用光作為媒介把輸入邊輸出邊的電信號耦合在一起的，具有線性變化關(guān)系，且在電性能上是完全隔離的。所以，我們把利用光耦合做成的電信號傳輸器件，一般稱為光電耦合器件。特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有電隔離功能；絕緣電阻高達(dá)10101012歐姆，擊穿電壓高達(dá)10025千伏，耦合電容小到零點(diǎn)幾個皮法；信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以，模擬，數(shù)字信號都適用；具有抗干擾噪聲的能力，可作為繼電器變壓器等使用；響應(yīng)速度快，一般可達(dá)微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級；使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性價比高，

16、工作溫度范圍在55到100攝氏度之間。二、特性參數(shù)1、傳輸特性IFIFIFQ3Q2QQ1IF1IF2IF3IFVcIcIc1Ic2Ic3在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流IC與發(fā)光二極管的注入電流IF之比，稱為光電耦合器件的電流傳輸比，用表示，若有一工作點(diǎn)Q，則%100FQcQQII工作點(diǎn)選擇在輸出特性的不同位置時，具有不同的值。故常用交流電流傳輸比來表示：%100FcIIIFT在電流較小時，耦合器件處于截止區(qū)， 值較小，當(dāng)電流變大后， 值變小，器件處于線性工作狀態(tài)，但其變化量較小。在零攝氏度以下， 值隨溫度的升高而上升；在零攝氏度以上，隨溫度的升高而下降。02、輸入輸出間絕緣耐壓BV

17、CFO絕緣耐壓與電流傳輸比都與發(fā)光二極管光敏三極管之間的距離有直接關(guān)系，且是一對矛盾體。當(dāng)二者距離增大，絕緣耐壓提高，但電流傳輸比卻降低，反之，絕緣耐壓降低，但電流傳輸比卻提高。3、輸入輸出間絕緣電阻RFC一般在1091013歐姆之間，它的大小意味著耦合器件的隔離性能的好壞。4、輸入輸出間絕緣寄生電容CFC一般為幾個皮法，影響器件的工作頻率。5、最高工作頻率fMVV(t)RFCRFoEFEcRcCRL測量器件最高工作頻率的電路向發(fā)光二極管送入幅度相等而頻率變化的交流小信號，在光電耦合器的輸出端用交流電壓表測其交流輸出電壓值。隨著頻率的增高，雖然電壓幅度不變，而輸出幅度卻下降了，當(dāng)輸出電壓相對幅值降至0.707時，所對應(yīng)的頻率就稱為器件的最高工作頻率。它會隨負(fù)載的變化而改變。fMf相對輸出0.707相對輸出0.707fM1fM2fM3fRC1RC2RC36、脈沖上升時間下降時間RFEc接示波器測量脈沖響應(yīng)時間的電路圖相對輸入tttft相對輸出1.00.90.10（二）抗干擾特性強(qiáng)的原因輸入阻抗很低，而干擾源的內(nèi)阻很大，從而能饋入器件輸入端的干擾噪聲就變得很??；雖然有較大的干擾電壓，但干擾源的內(nèi)阻很大，只能形成微弱電流，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，從而避免干擾；器件的輸入輸出邊是用光耦合的