发光二极管和半导体激光器
半导体激光器的应用与分类
半导体激光器的应用与分类半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。
按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。
半导体激光器的分类有多种方法。
按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。
LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。
半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。
如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。
hymsm%ddz半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。
光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。
光信号的分类
光信号的分类
标题：光信号的分类
一、引言
光信号是指利用光作为载体，通过光强度、频率、相位等参数的变化来传递信息的一种方式。
在现代通信系统中，光信号的应用越来越广泛，例如光纤通信、激光雷达、光学遥感等。
本篇文章主要对光信号进行分类。
二、光信号的分类
1. 按照调制方式分类：
(1) 强度调制光信号：通过改变光的强度来传输信息，如模拟电视、数字光盘等。
(2) 频率调制光信号：通过改变光的频率来传输信息，如光纤通信中的频率分复用技术。
(3) 相位调制光信号：通过改变光的相位来传输信息，如光纤通信中的相位编码技术。
2. 按照光源性质分类：
(1) 半导体激光器产生的光信号：这种光信号具有方向性好、单色性好、相干性强等特点，是光纤通信的主要光源。
(2) 发光二极管产生的光信号：这种光信号主要用于短距离、低速率的光通信。
3. 按照光波的传播方式分类：
(1) 平面波光信号：这种光信号在空间各点的电场和磁场振幅都相同，常用于自由空间光通信。
(2) 球面波光信号：这种光信号的电场和磁场振幅随距离增加而减小，常用于光纤通信。
三、总结
光信号是一种重要的信息载体，其种类繁多，各有特点。
了解光信号的分类有助于我们更好地理解和应用这些光信号，从而提高通信系统的性能。
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
半导体激光器 液晶显示器
N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
半导体激光器和发光器件介绍
4、相干性好
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的 杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只 有几个mm或几十cm。
激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上 有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序 的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术， HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
灯泵浦Nd:YAG激光 器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm， 直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的 最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。
半导体激光器和发光二极管介绍概述
§3-2 激光器的一般工作原理 激光器是指激光的自激振荡器。
要使光产生振荡，必须是使光得到放大，而产生 光放大的前题，是物质中的受激辐射必须大于受激吸 收，因此，受激辐射是产生激光的关键。
面波，而且在腔内往返运动时，是垂直于反射镜
而投射，如图：
由A发出的平面波→M2垂直返回→M1返回 →A时，波得到加强，如果它们之间的相位差正
好是2π的整数倍时，显然就达到了谐振。
设谐振腔的长度L，谐振腔介质中光的波长
λg，则满足相位差2π的整数倍时，有
L g • q.
2
q1、 2、 3、 .........
被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。 故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了
三种不同的基本过程如图所示（下面简述E1、E2二能级系统为 例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃 迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一 个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：
红光点状光斑激光器
工作参数
输出波长：
635nm 650nm 670nm 出光功率：
发光二极管和半导体激光器
En exc
1
2 r
mr* m
EH n2
氢原子的基态电离能。
EH
mq4
8 02 h2
13.6(eV)
晶体的相对 电子和空穴的 介电常数 有效折合质量
1 mr*
1 mn*
1 m*p
Eg 价带顶
激子能级是分立的。
电子的有
n=1:激子的基态能级；
效质量
n=时，激子能级=0，相当于导带
底，电子和空穴完全摆脱了束缚。
• 等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产 生的束缚态。
• 用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴， 而是形成电中性中心。例如：N就是GaP中P原子的 等电子杂质。
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合
• 产生“陷阱”（束缚态）的原因？ 等电子杂质原子与被替位的基质原子之
空穴的有 效质量
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
5）激子复合
• 对于自由激子，电子和空穴复合时会把能量释放出来 产生光子。
• 对于直接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量
为：
导带底
hv
Eg
En exc
En exc
• 对于间接带隙半导体，自由激子复 合发射光子的能量为
✓ 等电子杂质的电负性>（<）晶格原子的电负性，形成 电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电 子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。
✓ 例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态， N原子为等电子受主。Bi原子取代GaP中的P原子：形 成空穴的束缚态，Bi原子为等电子施主。
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N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带
顶部形成粒子数反转分布。
考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可
以用N区的准费米能级来计算
f N ( E2 ) e
1
E2 EF kT
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 )
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
(1) (2)
指示灯: LED正在成为指示灯的主要光源 光源: 电视机、空调等的遥控器的光源 干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源
（3）数字显示用显示器: 点矩阵型和字段型两种 方式 平面显示器: 可进行电视画面显示
1) 最简单的七段式数码管 2) 14列字码管
3) 在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列
（3）受激辐射
E2 hv hv
hv
E1
在高能级E2的电子， 受到入射光的作用， 被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放 的能量产生光辐射， 这种跃迁称为受激辐 射。
受激辐射：相干光
设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和 N2。当系统处于热平衡状态时，粒子分布遵循玻耳兹曼统计分布
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
四 发光二极管的特点及应用
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。 2、 LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可 以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。
而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
半导体内的粒子分布状态：
N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数/导带空穴数) N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。
(2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。 问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长
三 LED的特性
光谱特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
LED的内部量子效率和内部功率
内量子效率 hint
hint
辐射性复合速率 辐射性复合速率 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
1
辐射性复合时间 r1 1 1 1 1 辐射性复合时间 非辐射性复合时间 r nr
那么LED的内部发光功率为：
2 发光二极管的工作原理、结构及特性参数
基本原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空 穴对的自发复合导致发光。
为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米 应用场合：短距离传输
一、工作原理
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内
能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价 带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级
杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系
半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入 射光的频率满足
本征半导体的能带结构
在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而 是费米分布，能级E被电子占据的几率为:
fn (E ) 1
式中， k 1.381 10 费米能级 。
23
e
E EF kT
1
E F 叫做 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，
费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特
e 1
E1 EF kT
1
1 e
EF E1 kT
1
在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
1
f N ( E2 ) f N (E1 )
EF EF E2 E1 Eg
因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反
转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带 的宽度。
1 半导体物理基础
pn结注入式场致发光原理
在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称 为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…) 称为 激发态。
电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，分别
为(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射，下面
以E1与E2能级为例进行介绍。
（1）受激吸收
E2
hv
E1
在正常状态下，电 子处于低能级E1，在入 射光作用下，它会吸收 光子的能量跃迁到高能 级E2上，这种跃迁称为 受激吸收。电子跃迁后， 在低能级留下相同数目 的空穴。
（2）自发辐射
E2 hv
E1
自发辐射：非相干光
在 高 能 级 E2 的 电 子是不稳定的，即使 没有外界的作用，也 会自动地跃迁到低能 级 E1 上与空穴复合， 释放的能量转换为光 子辐射出去，这种跃 迁称为自发辐射。
LED的P-I特性
15
发射功率 P (mW)
10
正面发光
5
侧面发光
0 0
100 200 300 400 500 电流 I / mA
1. 驱动电流较小 -> LED P-I特性线性度好 2. 驱动电流较大 -> pn结发热产生饱和现象 -> 曲线斜率减小 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦
其中T() 为菲涅尔透射系 数。
假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为：
h ext
Pint 1 P h P 和 out ext int n(n 1) 2 n(n 1) 2
例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即 光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。
3、 LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小 的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作 为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还 会进一步扩大。 4、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广 场地面的信号光源，是一个新的应用领域。
四 发光二极管的特点及应用 应用
半导体激光器 液晶显示器
ting Diode，简称LED)和半导体 激光器(laser Diode，简称LD) 都属于发光器件，都采用pn 结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们之间的主 要区别是：发光二极管靠注入的载流子自发复合的自发辐 射，发射的是非相干光；而半导体激光器靠受激辐射，发 射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二 极管的好得多。 与其它发光器件相比，半导体发光器件具有体积小、 工作电压低、功耗低、机械性能好、调制方便等优点。因 而有着广阔的应用前景，目前主要用在信息的传递、处理、 存贮和显示方面。 LED 多用于各种仪器仪表的指示器，数 字、文字及其它符号的显示，光通信、精密测距及其它物 理检测的光源。LD在通信、测距、光集成、信息的存贮和 处理等方面具有重要的应用。可是这两类器件，目前还存 在发光效率低、成本高、寿命还不够长等缺点，尚待进一 步研究解决。
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
2、边发光二极管
载流子注入
30º 50~70 mm 100~150 mm 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
LED光源的材料和工作波长：
单质半导体材料 -> 间接带隙材料 -> 不适合做光源 化合半导体材料 -> 直接带隙材料 -> 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：1000~1700 nm长波长光源