第05章光源与光发送机

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1、1第五章光源与光发送机5.1半导体光源的物理基础5.2半导体光源的工作原理5.3光源的工作特性5.4光发送机5.5驱动电路和辅助电路光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发射机将电信号转变为光信号35.1半导体光源的物理基础半导体物理：原子的能级、能带以及电子跃迁自发辐射、受激辐射、受激吸收半导体本征材料和非本征材料4原子核电子高能级低能级5.1.1孤立原子的能级和半导体的能带围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级1.孤立原子的能级5满带：各个

2、能级都被电子填满的能带禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性2.半导体的能带空带：所有能级都没有电子填充的能带价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带未被电子占满的价带称为导带禁带的宽度称为带隙6导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴7导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁8硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料

3、Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电9As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质10施主能级被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带电子浓度增加11非本征半

4、导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA

5、：处于高能级的粒子数量(导带电子数/价带空穴数)(1)N1>N2，粒子数正常分布状态，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。(2)N2>N1，粒子数反转分布状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。5.1.3半导体粒子分布状态问题:如何得到粒子数反转分布的状态?5.2半导体光源激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。165.2.1发光二极

6、管(LED:lightemittingdiode)的工作原理原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED：1.驱动电路简单2.不需要温控电路3.成本低、产量高缺点：4.输出功率不高：几个毫瓦5.谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输5.2半导体光源的工作原理17双异质结构异质结0.3mm不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束18优点：LED到光纤的耦合效率高P(q)=P0cosq载流子注入25mm5mm1.发光二极管的类型结构：面、边和超辐射3种面发光二极管

7、19边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70mm100~150mm30º120º20PN结U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动5.2.1发光二极管的工作原理21反向偏压使耗尽区加宽扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动Un型p型耗尽层耗尽层22正向偏压使耗尽区变窄扩散>漂移Un型p型耗尽层耗尽层23电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空

8、穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压注入载流子粒子数反转载流子复合发光hv245.2.2激光二极管的工作原理激光---LASER(LightAmplificationbyS