6.1概述半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器在工作原理上的根本區(qū)別在于前者是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，而后者則是受激輻射復(fù)合發(fā)光的。用于光纖通信的發(fā)光二極管從材料到器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)都與半導(dǎo)體激光器沒有很大差別，因而前面1～3章的一些基本理論對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管也是適用的。半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上的主要差別是前者有光學(xué)諧振腔，使復(fù)合所產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩和放大；而后者則沒有諧振腔。正是由于它們?cè)诎l(fā)光機(jī)理和上述這一基本結(jié)構(gòu)上存在差別，而使它們?cè)谥饕阅苌洗嬖诿黠@差別。例如，半導(dǎo)體發(fā)光二極管不象激光器那樣存在閾值特性，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；因?yàn)樽园l(fā)發(fā)射的隨機(jī)性，致使發(fā)光管的光譜寬度比激光器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；光束發(fā)散角也很大，因而與光纖藕合效率要比半導(dǎo)體激光器的情況低得多；輸出的光功率也要比半導(dǎo)體激光器低得多．盡管與半導(dǎo)體激光器相比，半導(dǎo)體發(fā)光二極管有許多不足之處，但它卻在中、短距離光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用。彌補(bǔ)了半導(dǎo)體激光器的某些不足。這是由它的以下特點(diǎn)所決定的：1．不存在閾值特性，P-I線性好，因而有利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)畸變的調(diào)制，這在高速模擬調(diào)制中是特別重要的；2．雖然半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光相干性很不好，但正因?yàn)槿绱?，避免了半?dǎo)體激光器容易產(chǎn)生模分配噪聲和對(duì)來(lái)自于光纖傳輸線路中反射光較靈敏的缺點(diǎn)；3．工作穩(wěn)定，輸出功率隨溫度的變化較小，不需要精確的溫度控制，因而驅(qū)動(dòng)電源很簡(jiǎn)單；4．由于不存在象半導(dǎo)體激光器那樣的腔而退化，工作壽命可達(dá)109小時(shí)；5．成品率高，價(jià)格便宜。此外，由于其光譜線寬很寬(>30nm)，這對(duì)光纖通信中波分復(fù)用的應(yīng)用將帶來(lái)好處。半導(dǎo)體發(fā)光二極管可以分為三種型式:表面發(fā)射(SE);端發(fā)射或邊發(fā)射(EE);超熒光或超輻射(SL).前兩種是從發(fā)光的部位來(lái)區(qū)別的，而超輻射發(fā)光二極管則是根據(jù)發(fā)光特性來(lái)區(qū)分的。圖6.1-1表示半導(dǎo)體激光器、表面和端面發(fā)射發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管P-I特性的比較。一、邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管和通常的電極條形雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本相同，一般是在n型襯底上用外延的方法相繼生長(zhǎng)N型限制層-有源層-P型限制層-P+蓋帽層。為了防止在有源區(qū)產(chǎn)生受激發(fā)射，需要設(shè)法消除光子可能形成的諧振。主要有兩種方法。方法之一是將接觸電極條控制在適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度范圍，使電極條距某一端面形成非泵浦(注入)區(qū)或吸收區(qū)，使有源區(qū)中產(chǎn)生的光子在到達(dá)該端面之前已被吸收掉，光子在沿縱向運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生凈吸收而不產(chǎn)生凈增益。以如圖6.2-1所示的長(zhǎng)波長(zhǎng)1.3m“v”槽邊發(fā)光二極管為例來(lái)說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在n型InP襯底上相繼用液相外廷形成雙異質(zhì)結(jié)后，再生長(zhǎng)n型阻擋層，“v”槽被刻蝕到異質(zhì)結(jié)的上限制層。再在其上生長(zhǎng)長(zhǎng)為L(zhǎng)a、寬為W的導(dǎo)電接觸條，因而在有源條與后端面之間有一長(zhǎng)為L(zhǎng)M的非泵浦區(qū)。一般取W=10~30m，La=200~245m，LM=250m。為了更可靠的防止激射和增加輸出的斜率效率，在前端面(輸出而)鍍以增透膜是很有效的。用薄而窄的有源條，有利于在較低的住入電流下獲得較高的載流子濃度；同時(shí)有源層內(nèi)的部分光進(jìn)入限制層，有利于改善在垂直于結(jié)平而方向上光束的方向性，從而有利于提高輸出功率和光纖與發(fā)光管之間的藕合效率。窄的條寬有利子提高發(fā)光管的亮度。防止發(fā)光管產(chǎn)生受激發(fā)射的另一種有效方法是將后端面弄斜，以破壞由解理面形成的法布里-拍羅腔，如圖6.2-2所示。其基本結(jié)構(gòu)與V溝襯底埋層異質(zhì)結(jié)激光器相同，前端面鍍?cè)鐾改?，后端面腐蝕成斜面。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是更能可靠地防止受激發(fā)射，與前面采取非泵浦區(qū)結(jié)構(gòu)的邊發(fā)光管相比，更能利用有源層的長(zhǎng)度來(lái)產(chǎn)生自發(fā)輻射，獲得較高輸出功率。三、超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管與邊發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上基本相同，圖6.2-3表示這種發(fā)光管的頂視和側(cè)視圖。與受泵浦的波導(dǎo)區(qū)毗鄰的是一個(gè)非泵浦區(qū)或吸收區(qū)。與邊發(fā)光管工作原理上的根本區(qū)別在于這種結(jié)構(gòu)中沿縱向傳播的光有少許凈增益。因此，除光子未通過(guò)諧振腔結(jié)構(gòu)反饋、振蕩外，超輻射發(fā)光二極管更相似于多模注入激光器。這就決定著超輻射發(fā)光二極管的一些特性介于半導(dǎo)體激光器與通常的發(fā)光二極管之問(wèn)，它沒有象通常的發(fā)光管那樣從零泵浦電流開始的P-I線性，但也沒有半導(dǎo)體激光器那樣明顯的閾值特性，然而在高的輸出功率下卻可能出現(xiàn)飽和。圖6.2-4表示這種情況下的輸出功率與有源層長(zhǎng)度的關(guān)系。在一定的有源層長(zhǎng)度下，后端面反射率R2越高，其輸出功率越大。而且隨著注入電流的增加，這種超輻射模所占的比率也增加，因而光譜寬度變窄，發(fā)散角變小，與光纖的耦合效率顯著增加。目前已能用單模光纖從前端面耦合出25W(I=100mA)。但正如上所述，對(duì)超輻射發(fā)光二極管的任何設(shè)計(jì)考慮都必須防止其轉(zhuǎn)化為激光器的工作方式，因此必須適當(dāng)?shù)乜刂贫嗣娴姆瓷渎屎妥⑷腚娏鳌３椛浒l(fā)光二極管將在要求光源既無(wú)明顯偏振特性又有較大功率輸出的地方(如光纖陀螺)得到應(yīng)用。一、溫度穩(wěn)定性相對(duì)于半導(dǎo)體激光器和超輻射發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)，通常所說(shuō)的發(fā)光二極管的溫度穩(wěn)定性是很好的。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的閾值電流密度對(duì)溫度的變化是很靈敏的。有源區(qū)材料不同，發(fā)光管的溫度特性也不相同，圖6.3-1(a)和(b)分別表示GaAlAs/GaAs(=0.85m)和InGaAsP/InP(=1.23m)邊發(fā)光二極管的溫度特性。由圖可以看出，在同樣的電流和溫度變化范圍(20~70℃)內(nèi)，InGaAsP/InP發(fā)光管的輸出功率降低將近一半，而GaAlAs/GaAs發(fā)光管則只降低約1/3。導(dǎo)致這一差別的原因可歸結(jié)為在InGaAsP/InP發(fā)光管中存在較為嚴(yán)重的熱載流子泄漏和俄歇非輻射復(fù)合。二、發(fā)光二極管的遠(yuǎn)場(chǎng)特性及其與光纖的耦合由于發(fā)光二極管的自發(fā)發(fā)射機(jī)理，它的輸出光束的空間相干性是較差的，表現(xiàn)在光束具有較大的發(fā)散角，因而與光纖的耦合效率要比半導(dǎo)體激光器低得多。表面發(fā)光二極管的輻射是屬于朗伯(Lambertian)型的，即光束強(qiáng)度與發(fā)射方向和發(fā)射表面法線之間的夾角按I()I0cos變化，如圖6.3-2(b)所示，光束的全發(fā)散角約為120o。邊發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上與半導(dǎo)體激光器有一定的相似性，所以在垂直于結(jié)平面方向與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性相同，即在該方向的光束發(fā)散角也和半導(dǎo)體激光器相一致，對(duì)GaAlAs/GaAs邊發(fā)光二極管有式中Δx為有源層與兩邊限制層中AlAs含量之差，d為有源層厚度，為發(fā)射波長(zhǎng)。若取=0.8m，d=0.1m和Δx=0.2，則由式(6.3-1)可得29o，如圖6.3-2(a)所示。(6.3-1)盡管邊發(fā)光管通常也采取和半導(dǎo)體激光器相同的條形電極結(jié)構(gòu)，但由于它沒有諧振腔的反饋，因而在平行于結(jié)平面方向也按朗伯型發(fā)射。即遠(yuǎn)場(chǎng)圖近似按cos變化，而在垂直于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場(chǎng)圖是按cos7變化。圖6.3-3表示邊發(fā)光二極管這種遠(yuǎn)場(chǎng)分布，它比圖6.3-2(b)更具體地反映了在垂直于和平行于結(jié)平而方向的遠(yuǎn)場(chǎng)圖，如圖中實(shí)線所示，在垂直于結(jié)平面方向出現(xiàn)的幾個(gè)小瓣是由于有源層在n型-邊界面處材料成分變化所致，圖中虛線表示按朗伯分布和cos7分別對(duì)平行和垂直于結(jié)平面方向測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合。三、發(fā)光二極管的發(fā)射譜半導(dǎo)體發(fā)光二極管的自發(fā)發(fā)射的特點(diǎn)決定了它的發(fā)射光譜是很寬的，要比半導(dǎo)體激光器的線寬高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且光譜寬度Δ與峰值波長(zhǎng)有關(guān)，可表示為(6.3-2)式中p為峰值發(fā)射波長(zhǎng)，h為普郎克常數(shù)，c為光速，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，n為與器件結(jié)構(gòu)和摻雜情況有關(guān)的常數(shù)，一般有n2。邊發(fā)光二極管所發(fā)射的峰值波長(zhǎng)與光譜寬度Δ受其結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。圖6.3-5表示由圖6.2-1所示的結(jié)構(gòu)中p、Δ與有源層厚度的關(guān)系。由圖看出，峰值波長(zhǎng)隨著有源層厚度的增加而增加，而Δ卻隨著有源層厚度的增加而減小。這可用半導(dǎo)體的能帶填充效應(yīng)來(lái)解釋。因?yàn)楹穸仍黾?，載流子的濃度相應(yīng)減小，即較低的能帶被填充，因而發(fā)出的光子能量較小，即波長(zhǎng)“紅移”。光譜寬度隨有源層厚度的增加而減小可歸因于能為載流子所填充的能帶變窄。6.4半導(dǎo)體發(fā)光二極管的調(diào)制特性半導(dǎo)體發(fā)光管只能在中等調(diào)制速率(<200Mbit/s)下工作。限制發(fā)光二極管調(diào)制帶寬的原因可歸結(jié)為在低注入電流下主要受二極管結(jié)電容的限制，而在高注入電流時(shí)調(diào)制速率則受注入有源區(qū)長(zhǎng)壽命載流子的限制。如果發(fā)光二極管的正向偏置電流受到頻率為的交變信號(hào)調(diào)制，則輸出光強(qiáng)I()將隨頻率變化。其關(guān)系式為(6.4-1)式中I(0)為直流光強(qiáng)，為注入有源區(qū)的少數(shù)載流子壽命。圖6.4-1表示對(duì)應(yīng)三種不同少數(shù)載流子壽命的發(fā)光譜，其歸一化響應(yīng)I()/I(0)與調(diào)制頻率的關(guān)系。發(fā)光二極管的調(diào)制帶寬定義為當(dāng)I2()=I2(0)/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的調(diào)制頻率，由式(6.4-1)得(6.4-1)(6.4-2)式中fc為調(diào)制帶寬(極限調(diào)制頻率)，為少數(shù)載流子壽命。如只考慮載流子在能帶間的輻射復(fù)合，則載流子壽命由所加的電流密度確定[參見式(1.6-19)]，即(1.6-19)(6.4-3)如果對(duì)有源區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，其摻雜濃度1018/cm3，由于雜質(zhì)原子與基質(zhì)原子半徑上的差別，會(huì)在有源區(qū)中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、填隙原子，位錯(cuò)等晶格缺陷。其后果是在有源區(qū)形成非輻射復(fù)合中心，而造成所不希望的載流子非輻射復(fù)合壽命的減小。例如，當(dāng)p型有源區(qū)所摻受主雜質(zhì)濃度達(dá)到1019/cm3時(shí)，其輻射復(fù)合壽命為10-9s，但與此同時(shí)，非輻射復(fù)合壽命也減小到同樣大小或更?。墒?2.3-8)可以看出，這會(huì)造成內(nèi)量子效率的減小。同時(shí)，由于重?fù)诫s會(huì)增加內(nèi)部光吸收損耗，從而降低發(fā)光管的輸出效率。圖6.4-2表示具有p型有源區(qū)的朗伯型GaAlAs發(fā)光二極管的調(diào)制帶寬、載流子壽命與摻雜濃度的關(guān)系，而圖6.4-3則表示在重?fù)诫s下調(diào)制帶寬的增加卻引起發(fā)光亮度和輸出功率的減少。(2.3-8)由于發(fā)光管成本低且可靠性高，在光纖通信局部網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用。在這種應(yīng)用中不苛求高的輸出功率，但希望有盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。邊發(fā)光二極管比較適合這種應(yīng)用場(chǎng)合。一般邊發(fā)光管脈