第三部分-光源与光发送机ppt课件.ppt

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1、第三部分光源与光发送机3.1半导体光源的物理基础3.2半导体光源的工作原理3.3光源的工作特性3.4光发送机3.5驱动电路和辅助电路发送部分传输部分接收部分光纤、光缆光源驱动电路辅助电路1.光源的作用完成电信号到光信号的变换2.光源的类型半导体发光二极管（LED:LightEmittingDiode）半导体激光二极管（LD:LaserDiode）3.对光源的要求体积小，与光纤耦合效率高发射光波长位于光纤低损耗窗口易于调制可靠性高，寿命长，稳定性好发射的光功率足够高温度稳定性好3.1半导体光源的物理基础3.1.1孤立原子的能级和半导体的能带1.孤立原子的能级原子

2、是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。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，这种现象称为电子能量的量子化。这些离散能量值称为原子的能级。2.半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。图3.2半导体的能带结构5.1.2光与物质的相互作用1.自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的。它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。自发辐射hf12初态E2E1终态E

3、2E12.受激辐射在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。hf12初态E2E1终态E2E1受激辐射3.受激吸收在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。hf12初态E2E1终态E2E1受激吸收受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射

4、是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。3.1.3粒子数反转分布状态粒子数正常分布状态在热平衡状态下，高能级上的电子数(N2)要少于低能级上电子数(N1)。2.粒子数反转分布状态为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。要使物质内部的自发辐射和/或受激辐射占据优势，就必须使高能级上的电子数多于低能级上电子数，这种现象称为粒子数反转分布状态。3.2半导体

5、光源的工作原理3.2.1发光二极管的工作原理自发辐射LED的出射光是一种非相干光，其谱线较宽，辐射角也较大。在低速数字通信和窄带模拟通信系统中,LED是可以选用的最佳光源。半导体发光二极管基本应用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围。1.发光二极管的类型结构按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管2.发光二极管的工作原理(1)LED的能带结构(2)LED的工作原理当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量

6、的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区。由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区，在有源区形成粒子数反转分布状态有源区的电子经跃迁与空穴复合，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。5.2.2激光二极管的工作原理受激辐射LD的出射光是一种相干光，其谱线较窄，方向性较好。在高速数字通信和宽带模拟通信系统中,LD是可以选用的最佳光源。在结构上，半导体激光二极管与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源工作物质谐振腔激光二极管的类型结构常用激光二极管(2)单频激光二极管多纵模状态单纵模状态纵模和横模纵模：激光

7、器在两个反射镜构成的光学谐振腔内将产生光波谐振，形成驻波，此时谐振腔的长度等于半波长的整数倍。把这种沿谐振腔的轴线方向（纵向）形成的驻波叫做纵模。纵模谐振条件为：不同的m值对应不同的纵模。横模：如果考虑谐振腔横截面上沿宽度方向和垂直方向上折射率分布和增益分布，则在腔横截面内的两个方向上也将产生驻波，这就叫横模。当沿激光器的出射方向观察谐振腔的出射镜面是，在出射面附近形成的光强度分布图，可以反映出横模特性。(1)常用激光二极管的类型结构在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光二极管。增益波导型激光二极管折射率波

8、导型激光二极管图5.6一