第四章
光傳送器與 LED照明光源
目前最常用於光纖通訊的光源為發光二極體 (Light
Emitting Diode，LED)及雷射二極體(Laser Diode, LD)，
這兩者皆是依賴半導體的動作原理。
相較於傳統燈泡，LED具有省電、環保等優點，所以也
有人稱 LED為綠色照明。從LED的發展背景可知，其
可使用的壽命長達60年，是常規電燈泡的100倍，消
耗的能量卻只有電燈泡的10%；並且它的電壓低，不
會有觸電的危險，也不用再面對如此大幅度的供電不
足，這就是被預言為2008年將會被廣泛應用於家庭照
明，未來 10年內完全替代電燈泡的新型照明裝置。
本章大綱 本章大綱
第一節 雷射
第二節 發光二極體
第三節 照明白光LED介紹
第一節 雷射
(a) 吸收：物質從外部取得電能或光能後，部份電子由較低 的能階躍升 到較高的能階
(b) 自發放射：經吸收後，電子被激發至較高的能階，經過一 短暫時間後，自然回到較穩定的低能階，此時會釋放出能量，
以光或熱的型式分散發射，普通光源及LED的發光過程即是如 此，所發出的光並非單色光，而具有一定的頻寬
(c) 激發放射：躍升到較高能階的電子，除了自發發射外，部 份也會受入射光的作用而回到較低能階，此為受激激發
就能階的觀念來看，每一種原子都有特定的能階，電磁波與原子 的交互作用可以分成以下三種如圖一
圖一 三種電磁波與原子的交互作用
雷射管的基本構造包含兩個鏡面，其反射率分別為R1,R2，且光腔 長L，腔中含有活性介質，當活性介質即激發狀態之原子釋出光子 時，光子在共振腔內來回震盪，且其長度及大小是固定
圖二 雷射之基本結構
假設光線初始由鏡面1出發，強度為I0，經過活性介質，其小信號放 大率為 r，走到鏡面2後，強度增為 ，由鏡面2反射回來之強度 為 ，再回到鏡面1時，強度為 ，此時由鏡面1上反 射出來的光束強度更增為
圖三 光束能量在共振腔中行進與反射時之變化 erL
I R 2 0
光波之波長必須滿足以下條件：
2 π 2 L q 2 π λ = ⋅
erL I 0
2rL 0
2 I e
R ⋅
rL 2 0 2
1R I e
R ⋅
雷射之臨界條件(Threshold Condition)
1 2
1 1
ln( )
r 2
L R R
=
0 2rL
0 2
1
R I e I
R =
(1) or(2)
(3)
Fabry-Perot雷射
Fabry-Perot共振腔，是藉由切割晶片兩端面以達成高度反射及平行的 鏡面。Fabry-Perot雷射由於屬於多模態(波長)形式，在傳輸中會有色 散現象，限制傳輸的距離，但因其成本較低，仍是最廣泛被應用的一 種發送器
圖四 Fabry-Perot雷射示意圖 圖五 Fabry-Perot雷射波長分佈示意圖 資料來源：工研院
分佈式回授 (Distributed feedback，DFB) 雷射
DFB雷射其回饋並非藉由共振器的兩鏡面而已，而是分佈在整個共振器 上，所以需要製造出一個光柵，使某層厚度沿著共振器而有週期性的變 化，光柵週期為Λ，在作用區中的眾多光波，其中符合Bragg繞射條件，
即 2Λ = mλ,m = 1, 2, 3... (4) 其中λ為光波波長 圖六 分散式回授雷射示意圖
資料來源：工研院
垂直共振腔面 (Vertical Cavity Surface Emitting) 雷射
VCSEL雷射與其他雷射二極體最大不同是共振腔為垂直而非 水平，使得光源由腔底反射，造成光源是從頂端射出，如圖 七
圖七 VCSEL結構示意圖
如圖八所示，為He-Ne雷射之結構圖，主要將He與Ne原子的混合氣 體置於放電管中，在放電管兩端為鏡面，作為受激發射之反射鏡，
以增強共振腔內的強度
圖八 He-Ne雷射原理示意圖
氦-氖 (He-Ne ) 雷射
氮氣紫外線雷射
其結構如圖九所示，為在一高壓絕緣之塑膠片或鐵氟龍(Teflon)片上 下各平舖一層薄銅片或鋁片，上層銅片在中央部分分割成兩片，並 隔開間距d約為2~3.5mm，銅片相對處要磨尖，在其上黏貼兩根平 直之銅棒，兩銅棒間距d0約略小於d，如銅棒半徑為r，電磁波銅棒 表面之傳播速度為υ，則
圖九 氮氣雷射構造圖
(
0)
1 2
r d d
c
υ
≅ − × π
(5)第二節 發光二極體(LED)
如圖十，電子電洞注入後，在P-N接面上結合，且注入電流與外加電壓之關 係為：
1 0 e x p ( q V )
i i
β k T
⎡ − ⎤
= ⎢ ⎥
⎣ ⎦
其中為與材料有關之常數，為P-N順向偏壓的值，為波茲曼常數，且發光波
長為： 1 .2 4 ( )
( )
g
g g
h c m
E E e V
λ = = μ Δ
(6)
(7)
圖十 LED的注入機制(Injection mechanism)
LED產生的光能與順向驅動電流的大小成正比，如圖十一，一個典 型的能量-電流曲線圖，其線性關係可由下列論證中說明：電流是每 秒注入電荷的量，則每秒鐘的電荷數將是 ，其中 是每個電子 的電荷量大小，假設 是這些電荷中會重結合並產生光子的比率，
則光能輸出為：
/
N =i e η e
(8)
圖十一 LED能量-電流關係圖
g g
P NW W i
e η η
= =
表面發光二極體(Surface-Emitting LED，SLED)結構特性：
如圖十二，較低的P層區域主要功能為反射器(Reflector)，而上層N型 區域是透明，因此光源由上發射，基本上，其發射半功率角度為 120°，稱為朗白尼光源
圖十二 雙異質結構SLED
巴魯型式發光二極體(Burrus-Type LED)結構特性：
(1) P-GaAs和P-AlGaAs功能有下列兩項 (a)具有反射器功能
(b)限制電子電洞複合區域更接近P-N接面
(2) 蝕刻井進入上端N層結構，可聚集發光二極體的光輸出
圖十三 巴魯型式發光二極體結構
邊緣(側光)發射發光二極體(Edge Emitters LED，ELED) 結構特性：
(1) P-layer 1和N-layer 1主要使聚集活性區電子電洞對注入濃度增加
(2) P-layer 2和N-layer 2的目的為，使產生的光，更集中束縛於活 性主動區
(3) 光子在整個長度L作用區產生，但僅由邊緣(Edge)發射
(4) ELED輸出光束為扁平狀，其垂直角度(Perpendicular)約為30°，水 平角度(Horizontal)約為120°
(5) 二氧化矽(SiO2)絕緣層，使ELED為條狀(Stripe)結構操作
圖十四 邊緣發光二極體(a)側視圖(b)完整結構圖
第三節 照明白光LED介紹
LED利用半導體中電子與電洞結合時，將多出的能量以光的形 式釋放，而不同的材料會發出不同的波長，也就會看到不同顏色 的光，如圖十五
圖十五 各材料的磊晶技術及發光顏色比較圖
圖十六為LED最簡單的元件結構圖。將LED的晶片(LED Chip)固定 在一反射槽(Reflector Cup)上，以金屬線Wire Bond連接LED Chip的正 負極，之後以環氧樹脂(Epoxy)封裝
圖十六 傳統式發光二極體的元件結構
在同質接面結構中，電子在半導體導體帶中向左流很順利，電洞在 半導體價電帶中向右流也很順利，因沒有很大的能障，使電子與電 洞相遇而復合（產生光）的機率極低，亦即發光效率很低。為提高 電子、電洞復合機率，便運用雙異質結構如圖十七，使中間發光層 的能隙，小於兩旁束縛層的能隙高度
圖十七 雙異質接面構造
圖十八 傳統發光二極體晶粒的製作為標準的矩型外觀(左圖) ，光容易在晶片裡 面全反射而出不來。Lumileds的TIP型晶片(右圖) 4個截面將不再是互相平
行，而光就可很有效地被引出來 ，外部量子效率則大幅提升至55%，發光效率 高達100 lm/w。
透明基板黏貼技術主要是將發光二極體晶粒先在高溫環境下施加壓 力，並將透明的GaP基板粘貼上去後，再將GaAs除去，如圖十九，
如此便可提高二至三倍的光萃取率
圖十九 晶片黏貼之示意圖
Osram Opto Semiconductors在2003年2月也發表了新的研究成果－
ThinGaN，如圖二十，可將藍光LED光萃取率提昇至75%，比起傳 統提昇了3倍
圖二十 Osram一些提升LED光萃取率的方法
將元件的內部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在元件內部的 全反射，提升元件的出光效率，如圖二十一。這樣的方法最早 是由日亞化學所提出，其粗化方法基本上是在元件的幾何形狀 上形成規則的凹凸形狀
圖二十一 Nichia將原本平整的晶片表面(左)上，做一週期 結構以破壞其平整性，增加其光萃取率。
Flip Chip結構：如圖二十二，即是將傳統的元件反置，並在p型電極 上方製作反射率較高的反射層，藉以將原先從元件上方發出的光線 從元件其他的發光角度導出，再由藍寶石基板端緣取光，這樣的方 法因為降低了在電極側的光損耗，可得到接近於傳統封裝方式兩倍 左右的光量輸出
圖二十二 覆晶(Flip Chip)的結構圖
白光LED製作方法
(1) 藍光LED＋黃光螢光粉 ：由藍光LED激發塗佈在其上方的 黃光YAG螢光粉，螢光粉被激發後產生的黃光與原先的藍光互 補而產生白光。目前日亞公司市售商品乃是利用460nm的 InGaN藍光半導體激發YAG螢光粉，而產生出555nm的黃光
(2) UV LED＋RGB螢光粉 ：利用藍光晶粒配合黃光YAG螢光 粉的白光LED封裝技術是目前較成熟的技術
(3) 多晶型RGB LED混光 ：發出紅、藍、綠三種顏色的晶 粒，直接封裝在一起，藉由紅、綠、藍三色直接配成白光的方 式，可製成白光LED
無論是將LED亮度提升或是要求LED發出白光，都是希望達到固 態照明(Solid State Lighting)的目的
如圖二十三，以美國的LumiLeds、歐洲的OSRAM Opto
Semicondutors 的垂直整合程度最高，但日本的Nichia 及Toyoda Gosei則是在藍光方面具有領先的技術及專利，因此藍光佔營收 比重則較高
圖二十三 各大廠佔藍光比重及垂直整合程度比較
資料來源：資策會MIC
圖二十四 LED上中下游結構圖 LED應用的市場非常廣，待白光LED能夠成 熟量產後，則以照明市場最具潛力
