《光源与光发射机》PPT课件

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1、§4-1概述；§4-2半导体光源的工作原理；§4-3半导体激光器；§4-4发光二极管；§4-5光源的调制及驱动电路；§4-5LD光发射机的控制电路；本章思考题。第四章的主要内容7/18/2021§4-1概述光源—光发射机的核心部件：半导体激光管LD；半导体发光二极管LED。电信号输入电路驱动电路光源控制电路对光源进行调制辅助电路：稳定信号，控制温度光信号一、光发射机简单框图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。适用于短距离、低码

2、速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。7/18/2021§4-1概述此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。7/18/2021§4-1概述二、光发射机的主要指标光发射机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。1.平均发送功率及其稳定度平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率，是在“0”、“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。2.消光比消光比定义为全“1”码的输出功率与全“0”码的输出功率

3、之比，取常用对数，通常用符号EXT表示：7/18/2021§4-1概述光发射机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求1.光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内；2.有足够高和稳定的输出功率；3.电光转换效率高、驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高；4.单色性和方向性好；7/18/2021§4-1概述5.易调制、响应速度快；6.光强对驱动电流的线性要好，以保证足够多的信号模拟调制光源而不发生畸变；7.体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体

4、光源呢？半导体光源可以直接进行调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。7/18/2021§4-2半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁—光源的物理基础能级：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，即：原子中的电子只能在一定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能量最低，电子受原子核束缚最强，最外层的轨道量子态能量最高，电子受原子核束缚最弱，这些不同的轨道运行时相应的能量值（包括电子的动能和电位能）称为能级。7/18/2021§4-2半导体光

5、源的工作原理能级跃迁：原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生量子跃迁，量子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。热跃迁：交换的能量是热运动的能量；光跃迁：交换的能量是光能。√7/18/2021§4-2半导体光源的工作原理考虑双能级的系统，低能级E1和高能级E2，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在热平衡状态下，总是N1>N2

6、，这说明电子总是首先占据能量低的能级。7/18/2021§4-2半导体光源的工作原理自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光子（频率为υ，能量为hυ=E2-E1）的形式辐射。所以，自发辐射过程的特点如下：①处于高能级电子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关；②由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间（如共价晶体中导带向价带的自发辐射），因此材料的发射光谱范围很宽；③即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，是

7、一种非相干光。分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间各个方向传播，是非相干光（荧光）。7/18/2021§4-2半导体光源的工作原理受激吸收/跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1），吸收一个光子从低能级E1跃迁到高能级E2上。所以，受激吸收过程的特点如下：①受激吸收时需要消耗外来光能；②受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子—空穴对的光电转换过程。当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高

8、能级的粒子（电子）数N2，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。7/18/2021§4-2半导体光源的工作原理受激辐射：处于高能级E2的电子在感应光场作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1），发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。所以，受激辐射的特点如下：①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向