第十讲 发光二极管 LED
主要内容
? 一、发光二极管的工作原理
? 二、发光二极管的基本结构
? 三、发光二极管的工作特性
发光二极管的工作原理
? LED发射的是自发辐射光 （ 非相干光 ） 。 大多
采用双异质结结构, 把有源层夹在 P型和 N型限
制层间, 但没有光学谐振腔, 故无阈值 。 LED
分为正面发光型和侧面发光型, 侧面发光型
LED的驱动电流较大, 输出光功率小, 但光束
发射角小, 与光纤的耦合效率高, 故入纤光功
率比正面发光型 LED高 。
发光二极管的基本结构
L
球透镜
环氧树脂 P层
有源层
N层
发光区
(a)正面发光型
微透镜
P型限制层
有源层
波导层
N型限制层
(b)侧面发光型
发光二极管的工作特性
? 光谱特性
? 光束空间分布
? 输出光功率特性
? 频率特性
LED的光谱特性
发光二极管发射的是自发辐射光, 没有光学谐振腔对
波长的选择, 谱线宽, 短波长 LED谱线宽度为 30～
50nm。 长波长 LED的谱线宽度为 6～ 120nm。
1300 波长 /nm
相
对光
强
Δλ=70nm
LED的光束空间分布
正面发光型的半功率点辐射角为
120o,侧面发光型的平行发射角为
120o,垂直发射角为 25o～ 35o。 LED
与光纤的耦合效率一般低于 10%。
LED的输出光功率特性
正面发光
侧面发光
电流 I/mA
发射
光功率
P/mw
0 100 200 300 400 500
LED的一般外量子效率小于 10%,驱动电流较小时, P-I特性
呈线性, I过大时, 由于 PN结发热产生饱和现象, 使 P-I特性曲线
斜率减小 。 通常 LED的工作电流为 50～ 100mA,输出光功率为几 mW,
由于发光光束辐射角大, 入纤光功率只有几百 μ W。
LED 的频率响应为,
式中,为调制频率,是对应于调制频率
的输出光功率,为少数载流子（电子）的寿命，
定义 为发光二极管的截止频率，当
时,
最高调制频率应低于截止频率 。
2)2(11)0( )()( ?? fP fPfH ???
LED的频率特性
f )(fP
e?
cf
)2(1 ecff ????
21)( ?fH
LED的频率响应曲线
τ e = 1.1μ s
τ e = 2.1μ s
τ e = 6.4μ s
调制频率 f/MHz
频
率响
应
10 100 1000
10
0.1
P(f)
LD和 LED的一般性能比较
LD LED
工作波长 λ /μ m
1.3 1.55 1.3 1.55
谱线宽度 Δλ/nm
1～ 2 1～ 3 50～ 100 60～ 120
阈值电流 Ith/mA
20～ 30 30～ 60
工作电流 I/mA
50～ 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 θ /（ ° ）
20× 30 20× 50 30× 120 30× 120
寿命 t/h
10
6～ 107 105～ 106
108 107
工作温度 /℃
-20～ 50 -20～ 50 -20～ 50 -20～ 50
三、分布式反馈激光器 DBF
? 分布式反馈激光器的工作原理
? 分布式反馈激光器的优点
? 分布式反馈激光器的一般性能
分布反馈激光器工作原理
DBF激光器用靠近有源层沿长度方向制作
的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光反馈。
衍射光栅的折射率为周期性变化，使有源层分
布反馈。由有源曾层发出的光从一个方向向另
一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射，
另一部分继续前进，在邻近的光栅波纹峰反射。
若两部分反射光相互叠加则产生更强反馈，而
其他波长的光将被抵消；虽然每个光栅波纹峰
反射光不大，但整个光栅有成百上千的波纹峰，
反馈光的总量足以产生激光振荡。
? 光栅的周期 Λ下式决定,
?
? 为材料有效折射率, 是布拉格波长, m为衍射系数 。
? 在普通 DBF激光器中, 有两个阈值最低, 增益相同的纵
摸, 其波长为,
? 为光栅长度 。
? 在普通均匀光栅中，引入一个 λ ／ 4的相移变换，使原
来的波峰变波谷，可有效提高模式选择性和稳定性，
实现动态单纵摸激光器的要求 。
e
B
n
m???
en B?
)221(
2
2,1 Ln
e
B
B
??? ??
L
分布式反馈激光器的一般性能
工作波长 λ /μ m
1.3 1.55
谱线宽度 Δλ/nm
1～ 2 1～ 3
阈值电流 Ith/mA
20～ 30 30～ 60
连续波单纵模
10-4～ 10-3
输出功率 P/mW
20～ 40 15～ 30
直接调制单纵模
0.04～ 0.5(1Gb/s.Hz)
边模抑制比 /dB
30～ 35
频谱漂移 /（ nm/℃ ）
＜ 0.08
外量子效率 η d/%
20 15
工作温度 /℃
20～ 40 15～ 30
DBF激光器的优点
? 是单纵摸激光器
? 谱线窄, 波长稳定性好 。
? 动态谱线好
? 线性好，广泛用于模拟调制的 CATV传输
系统。
主要内容
? 一、发光二极管的工作原理
? 二、发光二极管的基本结构
? 三、发光二极管的工作特性
发光二极管的工作原理
? LED发射的是自发辐射光 （ 非相干光 ） 。 大多
采用双异质结结构, 把有源层夹在 P型和 N型限
制层间, 但没有光学谐振腔, 故无阈值 。 LED
分为正面发光型和侧面发光型, 侧面发光型
LED的驱动电流较大, 输出光功率小, 但光束
发射角小, 与光纤的耦合效率高, 故入纤光功
率比正面发光型 LED高 。
发光二极管的基本结构
L
球透镜
环氧树脂 P层
有源层
N层
发光区
(a)正面发光型
微透镜
P型限制层
有源层
波导层
N型限制层
(b)侧面发光型
发光二极管的工作特性
? 光谱特性
? 光束空间分布
? 输出光功率特性
? 频率特性
LED的光谱特性
发光二极管发射的是自发辐射光, 没有光学谐振腔对
波长的选择, 谱线宽, 短波长 LED谱线宽度为 30～
50nm。 长波长 LED的谱线宽度为 6～ 120nm。
1300 波长 /nm
相
对光
强
Δλ=70nm
LED的光束空间分布
正面发光型的半功率点辐射角为
120o,侧面发光型的平行发射角为
120o,垂直发射角为 25o～ 35o。 LED
与光纤的耦合效率一般低于 10%。
LED的输出光功率特性
正面发光
侧面发光
电流 I/mA
发射
光功率
P/mw
0 100 200 300 400 500
LED的一般外量子效率小于 10%,驱动电流较小时, P-I特性
呈线性, I过大时, 由于 PN结发热产生饱和现象, 使 P-I特性曲线
斜率减小 。 通常 LED的工作电流为 50～ 100mA,输出光功率为几 mW,
由于发光光束辐射角大, 入纤光功率只有几百 μ W。
LED 的频率响应为,
式中,为调制频率,是对应于调制频率
的输出光功率,为少数载流子（电子）的寿命，
定义 为发光二极管的截止频率，当
时,
最高调制频率应低于截止频率 。
2)2(11)0( )()( ?? fP fPfH ???
LED的频率特性
f )(fP
e?
cf
)2(1 ecff ????
21)( ?fH
LED的频率响应曲线
τ e = 1.1μ s
τ e = 2.1μ s
τ e = 6.4μ s
调制频率 f/MHz
频
率响
应
10 100 1000
10
0.1
P(f)
LD和 LED的一般性能比较
LD LED
工作波长 λ /μ m
1.3 1.55 1.3 1.55
谱线宽度 Δλ/nm
1～ 2 1～ 3 50～ 100 60～ 120
阈值电流 Ith/mA
20～ 30 30～ 60
工作电流 I/mA
50～ 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 θ /（ ° ）
20× 30 20× 50 30× 120 30× 120
寿命 t/h
10
6～ 107 105～ 106
108 107
工作温度 /℃
-20～ 50 -20～ 50 -20～ 50 -20～ 50
三、分布式反馈激光器 DBF
? 分布式反馈激光器的工作原理
? 分布式反馈激光器的优点
? 分布式反馈激光器的一般性能
分布反馈激光器工作原理
DBF激光器用靠近有源层沿长度方向制作
的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光反馈。
衍射光栅的折射率为周期性变化，使有源层分
布反馈。由有源曾层发出的光从一个方向向另
一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射，
另一部分继续前进，在邻近的光栅波纹峰反射。
若两部分反射光相互叠加则产生更强反馈，而
其他波长的光将被抵消；虽然每个光栅波纹峰
反射光不大，但整个光栅有成百上千的波纹峰，
反馈光的总量足以产生激光振荡。
? 光栅的周期 Λ下式决定,
?
? 为材料有效折射率, 是布拉格波长, m为衍射系数 。
? 在普通 DBF激光器中, 有两个阈值最低, 增益相同的纵
摸, 其波长为,
? 为光栅长度 。
? 在普通均匀光栅中，引入一个 λ ／ 4的相移变换，使原
来的波峰变波谷，可有效提高模式选择性和稳定性，
实现动态单纵摸激光器的要求 。
e
B
n
m???
en B?
)221(
2
2,1 Ln
e
B
B
??? ??
L
分布式反馈激光器的一般性能
工作波长 λ /μ m
1.3 1.55
谱线宽度 Δλ/nm
1～ 2 1～ 3
阈值电流 Ith/mA
20～ 30 30～ 60
连续波单纵模
10-4～ 10-3
输出功率 P/mW
20～ 40 15～ 30
直接调制单纵模
0.04～ 0.5(1Gb/s.Hz)
边模抑制比 /dB
30～ 35
频谱漂移 /（ nm/℃ ）
＜ 0.08
外量子效率 η d/%
20 15
工作温度 /℃
20～ 40 15～ 30
DBF激光器的优点
? 是单纵摸激光器
? 谱线窄, 波长稳定性好 。
? 动态谱线好
? 线性好，广泛用于模拟调制的 CATV传输
系统。
