《通信用光器》PPT课件

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1、第3章通信用光器件3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件返回主目录第3章通信用光器件分类：有源器件：光源、光检测器和光放大器无源器件：连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统的设计提供选择依据。3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能：对于内调制：把电信号转换为光信号（调制）。对于外调制：提供光信号。分类：半导体激光二极管或称激光器(LD)发光二极管或称发光管(LED)固体激光器（很少用）3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构激光，其英文LASER就是LightAmplific

2、ationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。半导体激光产生过程：半导体PN结正向偏压粒子数反转产生受激辐射振荡选频输出激光（激励源）（激光物质）（谐振腔）1.受激辐射和粒子数反转分布电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)：图3.1能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射（1）受激辐射受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)

3、式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射：产生相干光，辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同。自发辐射：产生非相干光，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的。（2）粒子(电子)数反转分布：设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。吸收物质：如果N1

4、>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减。激活物质：如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用。N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。2.PN结的能带和电子分布共价晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。如图3.2。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理

5、论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。当T→0时，P(E)→0，这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)图3.2半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体半导体内产生自发辐射的三个步骤：（1）在P型和N型半导体组成的PN结界面上，P型的空穴向N型扩散，N型的电

6、子向P型扩散，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图3.3(a)。(a)P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散半导体内产生自发辐射的三个步骤：（2）内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止。并且由于存在内建电场的电位差，使得P区的电子要比N区电子的电位势能要高，P和N之间形成势垒结果能带发生倾斜。见图3.3(b)。(b)势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env漂移扩散内部电场半导体内产生自发辐射的三个步骤：（3）在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，使得能带倾斜减小，扩散增强。最后

7、在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(C)在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对自发辐射产生的光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激光产生示意图基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(

8、FabryPerot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光