《光源和光发射机》PPT课件

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1、第四章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3器件结构4.4半导体激光器的特性4.5光发射机14.1概述在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：LEDLD2光纤通信对光源的要求光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求;电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;光强对驱动电流的线

2、性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。3最常用的光源光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（LD）发光二极管（LED）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤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多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。4常用的调制方法直接调制注入调制电流实现光波强度调制外调制通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制5模拟信号对LD直接调制6直接调制光发射机7光外腔调制发射机框图8外调制示意图94.2.1发光机理我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为10

3、00nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。10在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。图4.2.1半导体发光原理11图4.2.2光的自发辐射、受激发射和吸收12

4、自发辐射---LED工作原理如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫LED。13自发辐射---LED工作原理当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相

5、干光。14光接收器件原理如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。这就是将在第五章中叙述的光接收器件。15受激发射和受激吸收受激发射----能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。16当有入射光场存在时，受激吸收过程与

6、受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。17LD发射激光的首要条件---粒子数反转18另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，

7、激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。LD发射激光的第二个条件---光学谐振腔19Fabry(1867~1945)Perot(1863~1925)法国物理学家20法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光

8、器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。21光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐