光纤通信第四章光源与光发射机s上课新版

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1、光源与光发送机光纤通信第四章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送机将电信号转变为光信号在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光源是光发送机的核心器件。光源：实现电光变换。半导体光源:□半导体激光器LD□发光二极管LED特点：□发射波长合适□可进行直接调制□体积小，耦合效率高□可靠性高4.1半导体光源的物理基础4.1.1孤立原子的能级和半导体的能带4.1.2光与物质的相互作用4.1.3粒子数反转分布状态4.2光源的工作原理4.3光源的工作特性4.4光发送机4.5驱动电路与辅助电路4.1.

2、1孤立原子的能级和半导体的能带能级：原子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，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4……，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。硅原子的能级图能级的跃迁通过和外界交换能量，原子所处的能级发生跳变----能级的跃迁。□自发辐射处在E2上的电子自发地跃迁

3、到E1上，并发射一个光子，光子频率为，能量为：=h=E2-E1h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳·秒对于大量电子，自发辐射光具有不同的相位，偏振方向，传播方向------非相干光。半导体发光二极管是自发辐射发光器件。E2E1hE4.1.2光与物质的相互作用能级的跃迁□受激辐射当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为E＝hv＝E2－E1的外来入射光的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同频率、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受

4、激辐射hv=E2-E1发射光子和感应光子的频率，相位，偏振方向，传播方向相同。------相干光（全同光）。半导体激光器是受激辐射的发光器件。EE2E1hhh4.1.2光与物质的相互作用EE2E1h能级的跃迁□受激吸收E1上的电子吸收光子跃迁到E2上，感应光子能量h=E2-E1在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量，从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。半导体光检测器是受激吸收工作的光电器件。4.1.2光与物质的相互作用晶体的能带电子在原子之间作共有化运动，受相邻原子的影响，原子的能级扩展为能带。E1E2导带价带低能带-

5、---价带高能带----导带带隙------禁带Eg半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.1.2光与物质的相互作用晶体中电子的跃迁hE2E1自发辐射跃迁E2E1受激吸收跃迁hhE2E1受激辐射跃迁hh受激辐射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向晶体中电子按能级的分布处于E2上的电子数N2处于E1上的电子数N1大量分子在没有外加能量的热平衡条件下，电子按能级

6、的分布符合玻尔兹曼分布：N2/N1=exp(-(E2-E1)/Kt)k:玻尔兹曼常数。k=1.38•10-23J/KT:晶体的绝对温度(0K=-273℃)4.1.3粒子数反转分布状态晶体中电子按能级的分布通常情况下，N2N1，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，这种物质称为激活物质。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。为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多种方法可以实

7、现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。4.1.3粒子数反转分布状态第四章光源与光发送机4.2半导体光源的工作原理4.2.1LED工作原理4.2.2LD工作原理4.2半导体光源工作原理LD与LED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（自发辐射）；半导体激光器输出相干光（受激辐射）。比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相

8、对简单，另外制作成本低、产量高。LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器LD作光源。发光二极管LE