光纤课件ch4.ppt

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1、第四章光源和光电检测器4.1半导体的能带理论4.2PN结的能带结构4.3同质结和异质结4.4发光二极管的工作原理4.5半导体激光器的工作原理4.6LD的工作特性4.7光电检测器的工作原理和主要要求4.8PIN和APD的工作原理4.9光电检测器的工作特性4.1半导体的能带理论1、晶体的能带晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。价带上面的能带称为导带。价带和导

2、带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。2、费米－狄拉克统计电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合泡里不相容原理。电子在各能级中的分布，服从费米－狄拉克统计。费米能级不是一个可以被电子占据的实在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲。3、各种半导体中电子的统计分布根据费米分布规律，可以画出各种半导体中电子的统计分布。如图4-1-4所示4.2PN结的能带结构1、PN结的形成当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，

3、P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，称为PN结。PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都

4、很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。2PN结的能带3增益区的形成对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁带宽度，PN结里出现一个增益区(也叫有源区)。实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半导体激光器的辐射就发生在这个区域。4.3同质结和异质结早期研制的半导体激光器和发生二极管一般采用同质结构。同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料。采用同质结结构的激光器存在如下问题：首先是对光波的限制不完善；其次

5、是对载流子的限制不完善为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面改进。双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了载流子，又限制了光波。所以它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低。4.4发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光

6、学谐振腔，是无阈值器件。LED有如下工作特性：(1)LED的光谱特性它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。(2)LED的电光转换特性光输出功率P与注入电流I的关系，一般称为P-I曲线，LED的P-I曲线线性范围较大。在进行调制时，动态范围大，信号失真小。4.5半导体激光器的工作原理1、光纤通信对半导体激光器的主要要求半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：①光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。②光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。③能提供足

7、够的输出功率，可达到10mW以上。④与光纤耦合效率高，30%～50%。⑤能长时间连续工作，工作稳定。因此，LD非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统。2、LD的工作原理半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：粒子数反转分布光反馈激光振荡的阈值条件3LD的结构普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BHLD)，光学谐振腔为法布里－珀罗腔(F－P)，它可以分为两类，即增益波导LD和折射率波导LD。4动态单纵模激光器的原理所谓动态单纵模激光器(SLMLD)，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前

8、，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器及耦合腔激光器。分布反馈激光器的原理：分布反馈半导体激光器(Distributed-FeedbackSemi