光源与光发射机.pptx
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1、第四章第四章光源和光发射机光源和光发射机广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信224 四月四月 20244-1 4-1 概述概述;4-2 4-2 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理;4-3 4-3 半导体激光器半导体激光器;4-4 4-4 发光二极管发光二极管;4-5 4-5 光源的调制及驱动电路光源的调制及驱动电路;4-5 4-5 LD光发射机的控制电路光发射机的控制电路;本章思考题本章思考题。第四章的主要内容第四章的主要内容广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信324 四月四月 20244-1概述概述光源光源光发射机的核心部件:光发射机的核心部件:半导
2、体激光管半导体激光管LD;半导体发光二极管半导体发光二极管LED。电信号电信号输入电路输入电路驱动驱动电路电路光源光源控制电路控制电路对光源进行调制对光源进行调制辅助电路:稳定信号,控制温度辅助电路:稳定信号,控制温度光信号光信号一、光发射机简单框图一、光发射机简单框图适用于长距离大容量的光纤通信适用于长距离大容量的光纤通信系统,尤其是单纵模半导体激光系统,尤其是单纵模半导体激光器,在高速率、大容量的数字光器,在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。纤通信系统中得到广泛应用。适用于短距离、低码速的数字光适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统,或者是模拟光纤通纤通信系统,或者是模拟光纤
3、通信系统。其制造工艺简单、成本信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。低、可靠性好。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信424 四月四月 20244-1概述概述 此动画为光发射机工作原理动画,光源在调制此动画为光发射机工作原理动画,光源在调制电流的作用下发光,然后耦合进光纤传输。电流的作用下发光,然后耦合进光纤传输。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信524 四月四月 20244-1概述概述二、光发射机的主要指标二、光发射机的主要指标 光发射机的指标很多,我们仅从应用的角度介光发射机的指标很多,我们仅从应用的角度介绍其主要指标。绍其主要指标。1.平均发送功
4、率及其稳定度平均发送功率及其稳定度 平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率,平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率,是在是在“0 0”、“1 1”码等概率调制的情况下,光发送码等概率调制的情况下,光发送机输出的光功率值,单位为机输出的光功率值,单位为dBmdBm。2.消光比消光比 消光比定义为全消光比定义为全“1”码的输出功率与全码的输出功率与全“0”码的输出功率之比,取常用对数,通常用符号码的输出功率之比,取常用对数,通常用符号EXT表示:表示:广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信624 四月四月 20244-1概述概述 光发射机的消光比一般要求大于光发射机的消光比一般
5、要求大于8.2dB8.2dB,即,即“0 0”码光脉冲功率是码光脉冲功率是“1 1”码光脉冲功率的七分之一。码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求三、对光源的要求1.光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内;光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内;2.有足够高和稳定的输出功率;有足够高和稳定的输出功率;3.电光转换效率高、驱动功率低,同时要求寿命长,电光转换效率高、驱动功率低,同时要求寿命长,可靠性高;可靠性高;4.单色性和方向性好;单色性和方向性好;广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信724 四月四月 20244-1概述概述5.易调制、响应速度快;易调制、响应速度快;6
6、.光强对驱动电流的线性要好,以保证足够多的信光强对驱动电流的线性要好,以保证足够多的信号模拟调制光源而不发生畸变;号模拟调制光源而不发生畸变;7.体积小、重量轻。体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体光源呢?为什么目前多采用半导体光源呢?半导体光源可以直接进行调制,即注入调制电半导体光源可以直接进行调制,即注入调制电流而实现光波强度调制。流而实现光波强度调制。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信824 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁一、原子能级跃迁光源的物理基础光源的物理基础 能级:能级:原子由原子核和核外电子组成,核外电原子
7、由原子核和核外电子组成,核外电子围绕原子核旋转,每个电子的运行轨道并不相同,子围绕原子核旋转,每个电子的运行轨道并不相同,各代表不同的量子态,即:各代表不同的量子态,即:原子中的电子只能在一原子中的电子只能在一定的量子态中运动定的量子态中运动;在最里层的轨道上量子态的能;在最里层的轨道上量子态的能量最低,电子受原子核束缚最强,最外层的轨道量量最低,电子受原子核束缚最强,最外层的轨道量子态能量最高,电子受原子核束缚最弱,这些不同子态能量最高,电子受原子核束缚最弱,这些不同的轨道运行时相应的能量值(包括电子的动能和电的轨道运行时相应的能量值(包括电子的动能和电位能)称为能级。位能)称为能级。广东海
8、洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信924 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 能级跃迁:能级跃迁:原子中的电子可通过原子中的电子可通过与外界交换与外界交换能量能量的方式发生量子跃迁,量子跃迁交换的能量的方式发生量子跃迁,量子跃迁交换的能量有热能、光能,分别为有热能、光能,分别为热跃迁热跃迁和和光跃迁光跃迁。热跃迁:热跃迁:交换的能量是热运动的能量;交换的能量是热运动的能量;光跃迁:光跃迁:交换的能量是光能。交换的能量是光能。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1024 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理
9、 考虑双能级的系统,考虑双能级的系统,低能级低能级E1和高能级和高能级E2,设,设处于高能级处于高能级E2和低能级和低能级E1上的电子数分别为上的电子数分别为N2和和N1,当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布:,当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布:k=1.38110-23J/K,为波尔兹曼常数,为波尔兹曼常数,T为绝对温度。为绝对温度。由于由于(E2-E1)0,T0,所以在热平衡状态下,所以在热平衡状态下,总是总是N1N2,这说明,这说明电子总是首先占据能量低的能级电子总是首先占据能量低的能级。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1124 四月四月 20244-2半导体
10、光源的工作原理半导体光源的工作原理自发辐射:自发辐射:高能级高能级E2上的电子不稳定,会按一定的概率上的电子不稳定,会按一定的概率自发地跃迁到低能级自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量以上与空穴复合,释放的能量以光光子子(频率为(频率为,能量为,能量为h=E2-E1)的形式辐射。)的形式辐射。所以,自发辐射过程的特点如下:所以,自发辐射过程的特点如下:处于高能级电子的自发行为,与是否存在外界激励作用无关;处于高能级电子的自发行为,与是否存在外界激励作用无关;由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间(如共价晶体中由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间(如共价晶体中导带向价带的自发辐射),
11、因此材料的发射光谱范围很宽;导带向价带的自发辐射),因此材料的发射光谱范围很宽;即使跃迁过程满足相同的能级差(光子频率一致),它们也即使跃迁过程满足相同的能级差(光子频率一致),它们也是独立的、随机的辐射,是一种非相干光。是独立的、随机的辐射,是一种非相干光。分裂的能带,这些光子仅仅能量相同而彼此无关,分裂的能带,这些光子仅仅能量相同而彼此无关,可以有不同的相位和不同的偏振方向,可以向空间可以有不同的相位和不同的偏振方向,可以向空间各个方向传播,是非相干光(荧光)。各个方向传播,是非相干光(荧光)。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1224 四月四月 20244-2半导体光
12、源的工作原理半导体光源的工作原理受激吸收受激吸收/跃迁:跃迁:处于低能级上的电子在感应光场的作用处于低能级上的电子在感应光场的作用下(感应光子能量为下(感应光子能量为h=E2-E1),吸收一个光子从低),吸收一个光子从低能级能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2上。上。所以,受激吸收过程的特点如下:所以,受激吸收过程的特点如下:受激吸收时需要消耗外来光能;受激吸收时需要消耗外来光能;受激吸收过程对应光子被吸收,生成电子受激吸收过程对应光子被吸收,生成电子空穴对的空穴对的光电转换过程。光电转换过程。当某物质与外界处在热平衡状态下,低能级的当某物质与外界处在热平衡状态下,低能级的粒子(电子)数粒子(
13、电子)数N1总是大于高能级的粒子(电子)总是大于高能级的粒子(电子)数数N2,在这种状态下,有感应光场时,必然是受激,在这种状态下,有感应光场时,必然是受激吸收占主要地位,不会出现发光现象,光波经过该吸收占主要地位,不会出现发光现象,光波经过该物质时强度按指数规律衰减,光波被吸收。物质时强度按指数规律衰减,光波被吸收。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1324 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理受激辐射:受激辐射:处于高能级处于高能级E2的电子在感应光场作用下(感的电子在感应光场作用下(感应光子能量为应光子能量为h=E2-E1),发射一个和感应
14、光子),发射一个和感应光子一模一模一样一样的光子,跃迁到低能级的光子,跃迁到低能级E1上。上。所以,所以,受激辐射的特点如下:受激辐射的特点如下:外来光子的能量等于跃迁的能级之差。外来光子的能量等于跃迁的能级之差。受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同,而且受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,因此称它们是相位、偏振方向和传播方向都相同,因此称它们是全同光子全同光子,是相干光。是相干光。受激辐射过程受激辐射过程实质实质上是将感应光得到放大。上是将感应光得到放大。发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相位、发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相
15、位、偏振方向和传播方向都相同,是相干光。偏振方向和传播方向都相同,是相干光。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1424 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1524 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理每种跃迁是不是独立存在的呢?每种跃迁是不是独立存在的呢?实际上,在光电器件中,自发辐射、受激辐射和实际上,在光电器件中,自发辐射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现,但对于各种特点的光受激吸收过程总是同时出现,但对于各种特点的光电器件,电器件,只有一种机理起主要作用只
16、有一种机理起主要作用,分别对应的是:,分别对应的是:发光二极管发光二极管LED,半导体激光管,半导体激光管LD和光电二极管和光电二极管/光光电探测器。电探测器。光纤通信多数采用光纤通信多数采用LD,则受激辐射的条件和结果?,则受激辐射的条件和结果?广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1624 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理条件条件-粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态:如果外界向物质提供了能如果外界向物质提供了能量,就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高量,就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去,像一个泵不断地将低能级上的
17、电子能级上去,像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运抽运”到高能级上,我们称这个能量为激励或者泵浦过程,从到高能级上,我们称这个能量为激励或者泵浦过程,从而达到高能级上的粒子数而达到高能级上的粒子数N N2 2大于低能级上的粒子数大于低能级上的粒子数N N1 1的的分布状态,这种状态称为分布状态,这种状态称为粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态。结果结果-光放大过程光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下,当物质粒子数反转分布状态下,高高能级上的大量电子就会在受到外来感应光子的激发下,能级上的大量电子就会在受到外来感应光子的激发下,发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向发射出与入射光子的
18、频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的相干光,这样,就实现了用一个弱的入射光完全相同的相干光,这样,就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的激发出一个强的出射光的光放大过程光放大过程。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1724 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理二、半导体能带结构和载流子二、半导体能带结构和载流子 在在大大量量原原子子相相互互靠靠近近形形成成半半导导体体晶晶体体时时,由由于于半半导导体体晶晶体体内内部部电电子子的的共共有有化化运运动动,晶晶体体能能谱谱分分裂裂成成若若干干组组,每每组中能级彼此靠得很近,组成有一定宽度的带
19、组中能级彼此靠得很近,组成有一定宽度的带能带能带。半半导导体体内内部部自自由由运运动动的的电电子子(简简称称自自由由电电子子)所所填填充充的的能能带带称称为为导导带带;价价电电子子所所填填充充的的能能带带称称为为价价带带;导导带带和和价价带带之之间间不不允允许许电电子子填填充充,所所以以称称为为禁禁带带,其其宽宽度度称称为为禁禁带带宽度宽度/带隙带隙,用,用Eg表示,单位为电子伏特表示,单位为电子伏特(eV)。Eg=Ec-EvE2E1广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1824 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 此动画为此动画为晶体的能带晶体的
20、能带动画:导带和价带为光源动画:导带和价带为光源提供了物理基础。提供了物理基础。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1924 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理电子在能级上是如何分布的呢?电子在能级上是如何分布的呢?(遵循的规律遵循的规律)电子的能级分布:电子的能级分布:费米费米-狄拉克统计规律狄拉克统计规律在热平衡条件下,能量为在热平衡条件下,能量为E的能级被电子占据的概的能级被电子占据的概率率p(E)服从费米分布函数服从费米分布函数费米统计规律是物质粒子能级分布的费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律基本规律,它反映,它反映了物质中的电子了
21、物质中的电子按一定规律占据能级按一定规律占据能级。费米能级:费米能级:不是一个可以被电子占据的实际存在的不是一个可以被电子占据的实际存在的能级,它是反映电子在各能级中分布情况的参量,能级,它是反映电子在各能级中分布情况的参量,具有具有能级的量纲能级的量纲,位置由总电子数能级具体情况决定,对本,位置由总电子数能级具体情况决定,对本征半导体,在禁带的中心。征半导体,在禁带的中心。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信2024 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理p(E)是电子在各能级分布的概率,所以有是电子在各能级分布的概率,所以有当当E=Ef时,时,p
22、(E)=1/2,能级能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等,实际被电子占据的概率和空穴占据的概率相等,实际上费米能级不存在;上费米能级不存在;当当E1/2,能级能级E被电子占据的概率比较大,如果被电子占据的概率比较大,如果(Ef-E)kT,则,则p(E)1,能级几乎被电子占据;,能级几乎被电子占据;当当EEf时,时,p(E)kT,则,则p(E)0,能级几乎被空穴占据。,能级几乎被空穴占据。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信2124 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 根据费米统计规律,可得各种半导体中电子的统计根据费米统计规律,可得各种半导
23、体中电子的统计分布:分布:(a)本征半导体本征半导体(b)兼并型兼并型P型半导体型半导体(c)兼并型兼并型N型半导体型半导体(d)双兼并型半导体双兼并型半导体 EfcEfv低温下,本征半导体低温下,本征半导体费米能级的禁带的中费米能级的禁带的中心位置。心位置。对于重掺杂兼并型对于重掺杂兼并型P型半导体,由于受主杂质型半导体,由于受主杂质的掺入(三价元素的杂质),多数载流子是空的掺入(三价元素的杂质),多数载流子是空穴,费米能级进入半导体的价带。穴,费米能级进入半导体的价带。对于重掺杂兼并型对于重掺杂兼并型N型半导体,由于施主型半导体,由于施主杂质的掺入(五价元素的杂质),多数杂质的掺入(五价元
24、素的杂质),多数载流子是电子,费米能级进入半导体的载流子是电子,费米能级进入半导体的导带。导带。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信2224 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 双兼并型半导体,双兼并型半导体,是一种是一种非热平衡状态下非热平衡状态下的情况,因而用两的情况,因而用两种费米能级种费米能级Efc和和Efv来表征载流子的统计分布。在价带中,载流来表征载流子的统计分布。在价带中,载流子的统计分布与兼并型子的统计分布与兼并型P型半导体的分布相似,而导带中则与兼型半导体的分布相似,而导带中则与兼并型并型N型半导体的情况类似。因此,型半导体的情
25、况类似。因此,Efc和和Efv之间形成了一个之间形成了一个粒子粒子数反转的区域数反转的区域。若有一光波,光子能量满足。若有一光波,光子能量满足Egh(Efc-Efv),则,则这束光波经过双兼并型半导体时将被放大(这束光波经过双兼并型半导体时将被放大(光放大光放大)。)。半导体激光器半导体激光器LD就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的特点。特点。(d)双兼并型半导体双兼并型半导体 EfcEfv广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信2324 四月四月 20244-2半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理三、三、PN结结1.PN结的形成结的形成
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