光纤通信第3章分析.ppt

第三章 光源和光检测器 3.1 光电器件一般工作原理 3.2 半导体激光器 3.3 半导体发光二极管 3.4 光电检测器 主要内容 光电器件一般工作原理 半导体激光器 ：原理、特性、结构，典型的半导体激光器 半导体发光二极管 ：原理、结构、特性 光电检测器 ：PIN 、APD 半导体光源和光检测器优点 体积小 效率高 可靠性高 工作波长与光纤低损耗窗口相对应 便于与光纤耦合 工作速率高 3.1 光电器件一般工作原理 光辐射与光吸收 能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成； 能级所对应的能量值是离散的。 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁； 光辐射与光吸收 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若交换的能量是光能，则称为光跃迁。光跃迁同时存在着光的自发辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。 光辐射与光吸收 自发辐射： 处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子； 光辐射与光吸收 受激辐射 ： 处在高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光子相同光子态的光子，跃迁到低能态。 光辐射与光吸收 光辐射与光吸收 光辐射与光吸收 能带理论——针对半导体材料 导带 禁带 价带 PN结 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场 内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种运动处于平衡状态 PN结 费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。 PN结 当正向电压加大到某一值后， PN结里出现增益区（有源区）。 在Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转分布。 势垒降低，费米能级分裂 3.2 半导体激光器 LD 适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦合效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。 激光二极管LD通过受激辐射发光； LD可以发出单色性和定向性好、强度和相干性高的光 自激振荡原理 半导体激光器中增益区的形成 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当注入电流达到一定的阈值后，在结区形成一个粒子数反转分布的区域，价带主要由空穴占据，而导带主要由电子占据。对于光子能量满足Eg＜hv＜e0V 的光子有光放大作用，这个区域被称为有源区，半导体激光器的光激射就发生在这个区域 法布里—珀罗（F-P）谐振腔 F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成正反馈。 实现稳定振荡必须满足的 振幅条件 相位条件 m为整数 G和F分别为基本放大器和反馈网络的正向传输函数 振幅条件 光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和衰减两大相互矛盾因素的共同作用 相位条件 沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相位延迟为2π·(2nL/λ) 则发生相长干涉的条件： 2π·(2nL/λ)＝q ·2π q为整数 即： 2nL/λ＝q 又： =c/ λ 则 谐振腔的选频特性 谐振腔的选方向性 在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放大。 非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃逸出腔外。 激光器的模式分析 F-P腔激光器的模式类型 纵模的概念与性质 对于半导体激光器，当注入电流大于阈值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡的模式就称为激光器的纵模。 半导体激光器的模式增益谱 F-P腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的： 激光器的纵模性质 纵模数随注入电流变化