第四章發(fā)光與耦合器件詳解演示文稿

第四章發(fā)光與耦合器件詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)優(yōu)選第四章發(fā)光與耦合器件目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)3、制作材料（1）直接帶（直接躍遷）材料：GaAs、GaN、ZnSe等。（2）間接帶（間接躍遷）材料：GaP（3）混晶：GaAs1-xPx，禁帶寬，摻雜不同材料，可發(fā)出不同顏色的光。4、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。目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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。光學(xué)效率：外量子效率與內(nèi)量子效率的比。目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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(shí)注入的電子空穴對(duì)數(shù)之比。外量子效率：射出光子數(shù)與注入電子空穴對(duì)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：消耗單位功率所得到的光通量。目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（2）發(fā)光光譜（發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度隨波長變化的分布曲線，它直接決定發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響其流明效率）相對(duì)強(qiáng)度波長GaAs0.6P0.4GaP描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是峰值波長和半強(qiáng)度寬度。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(shí)，峰值波長在620～680nm之間變化，譜線半寬度大約為20～30nm，GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（三）出光特性（Flash演示）（四）伏安特性電壓電流復(fù)合因子目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（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)度目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（六）壽命發(fā)光二極管的亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。一般可達(dá)十萬個(gè)小時(shí)。隨著工作時(shí)間的加長，亮度下降的現(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(shí)間標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量。即指器件啟亮與熄滅時(shí)間的延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間一般很短。目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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劃字碼管目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)2、指示、照明單個(gè)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(gè)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(bào)警、遙控＆耦合目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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)纖功率(uw)“平底碗”型正面出光500.9040~25500.66直接耦合1700無波導(dǎo)型側(cè)面出光()0.05*650.8230~100900.14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目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)第二節(jié)激光器一、激光的產(chǎn)生（一）受激輻射1、自發(fā)輻射（Flash演示）2、受激吸收（Flash演示）3、受激輻射（Flash演示）目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（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，也可能被受激吸收，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(shí)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：氣體電離；半導(dǎo)體激光器：注入載流子。目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（三）共振腔（增益超過損耗，產(chǎn)生激光振蕩）（Flash演示）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。反射面反射面Lm=1m=2目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)2、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：（四）產(chǎn)生激光的三個(gè)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(gè)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。目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)二、激光器的類型固體激光器：一般采用光激勵(lì)，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(cè)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(chǔ)等。目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)三、氣體激光器1、一般結(jié)構(gòu)KM2M1AT(套管)G（毛細(xì)管）兩個(gè)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。目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)AD（放電管）B（布儒斯特窗）兩個(gè)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。K目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)GTKABM1M2一個(gè)緊貼放電管的一端，另一個(gè)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)。目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)2、氦氖激光器發(fā)出3種波長的譜線：0.6328um(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10－17m，相干長度達(dá)幾十公里；方向性強(qiáng)，光束發(fā)散角很?。唤Y(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高。目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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。目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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。目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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)10～50mw，脈寬為10～20ns；三能級(jí)系統(tǒng)目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶及價(jià)帶內(nèi)。由一對(duì)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(duì)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目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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(shí)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。目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)閾值電流閾值電流＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋296k195k77k4.2V1/L影響因素：共振腔長度大，閾值電流小；溫度大，閾值電流大；單軸向壓力大，閾值電流?。煌饧哟艌?chǎng)強(qiáng)度大，閾值電流小。目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（2）頻譜分布光強(qiáng)度波長100mA82mA10mA123低于閾值時(shí)，自發(fā)輻射，非相干光，譜線寬，如1；高于閾值時(shí)，發(fā)生共振，譜線變窄，對(duì)應(yīng)峰值波長的頻率為共振頻率（駐波頻率）如圖2，3。目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)相對(duì)強(qiáng)度波長電流超過閾值時(shí)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)系目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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GaAs＆AlxGa1-xAs禁帶寬度不同，因而在界面出形成了較高勢(shì)壘，使從N-GaAs注入到P-GaAs中的電子在繼續(xù)向P-AlxGa1-xAs擴(kuò)散時(shí)受到阻礙，同沒有這種勢(shì)壘存在時(shí)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(duì)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，因而限制了管座進(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(duì)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：目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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/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。目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（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(shí)，電子注入作用區(qū)到達(dá)P-GaAs＆P-AlxGa1-xAs界面，受到勢(shì)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(shì)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(gè)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)一步降低到1000～3000A/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：目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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)激光器目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)5、分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器（1）結(jié)構(gòu)（動(dòng)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）的比較目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)6、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(shí)，整個(gè)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)目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)（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。目前三十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)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/GaAs100~1500.85(10~20)*(30~50)52>1100~150InGaAsP/InP201.330*40510265目前三十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)第三節(jié)光電耦合器件一、光電耦合器件的含義＆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(hào)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(hào)傳輸器件，一般稱為光電耦合器件。目前三十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十八點(diǎn)特點(diǎn)：具有電隔離功能；絕緣電阻高達(dá)1010～1012歐姆，擊穿電壓高達(dá)100～25千伏，耦合電容小到零點(diǎn)幾個(gè)皮法；信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以，模擬，數(shù)字信號(hào)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(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)；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