光纤通信简明教程ppt课件.ppt

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1、袁国良编著光纤通信简明教程（第2版）第4章光源和光发射机本章内容4.1半导体的能带理论4.2发光二极管4.3半导体激光器4.4光调制4.5光发送机小结、习题4.1半导体的能带理论1.半导体的能带半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，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。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带，如图4-1-2所示。锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形

2、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。价带和导带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。2.半导体PN结的形成当一个P型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，就形成一个PN结。在结的交界面处，载流子的浓度差引起扩散运动，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，如图4-1-4所示。PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加

3、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很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。3.同质结和异质结同质结就是在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或发光二极管存在如下两个问题。首先是对光波的限制不完善另一方面的问题是对载流子的限制不完善因此，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来进行改进。为了降低

4、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。如图4-1-6所示。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，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。1.LED的结构和工作原理LED的基本工作原理是光的自发辐射。图4-2-1所示为双异质结半导体发光二极管的结构。正向电压V提供的外加

5、能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类。1)面发光二极管2）边发光二极管边发光二极管结构示意图如图4-2-3所示，它为长波长1.31μm双异质结InGaAsP/InP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来LED有如下工作特

6、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。LED的光谱特性如图4-2-4所示2）LED的输出光功率特性从图4-2-5中可见LED的P-I曲线线性范围较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小4.3半导体激光器半导体激光器（LD）主要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器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。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

7、，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，提供足够的输出光功率。2、LD的工作原理半导体激光器由如下三个部分组成：产生激光的工作物质（激活物质）能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）使工