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情境4-1 光有源器件
情境4光纤通信系统;光源; 光器件可以分为有源器件和无源器件两大类。
有源器件包括光源、光检测器和光放大器。
有源器件定义:需要外加能源驱动工作的光电子器件
无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、光开关和隔离器等。 ;光发送机是光纤通信系统的基本组成部分之一,它的作用是将电信号转换为光信号,并将光信号以最大效率耦合进光纤线路
光发射机的关键器件是光源
; 一般,作为光源的光发射器应满足以下基本要求:
① 体积小,发光面积应与光纤纤芯尺寸相匹配,光源和光纤之间应有较高的耦合效率;
②光源所发出的光波长必须落在光纤的三个工作窗口(低损耗、低色散)之一;
③ 可靠性高,工作寿命长,互换性好;
④ 可进行直接强度调制;
⑤ 光功率足够大,响应速度快;
⑥ 温度特性好,温度变化时,输出???功率及工作波长的变化在允许范围内。;光纤通信中应用的光源主要有
半导体激光器(LD,Laser Diode)
半导体发光二极管(LED,Light Emitting Diode);4.1 激光原理的基础知识
4.2 半导体光源
4.3 光电探测器
4.4 光发送机;4.1 激光的基础知识;;4.1.2 光子;
电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式:
自发辐射(Spontanueous Emission)
受激辐射(Stimulated Emission)
受激吸收(Absorption);;E2;E2;三种过程的具体应用;自发辐射是单向性的;
受激跃迁是双向的;
自发辐射概率与光强无关;
受激跃迁概率正比于光强。;例题;4.1.3 粒子数反转
问题:如何保持受激辐射状态?
答案是:高能级的电子数要远远多于低能级的电子数。
但在一个热平衡状态中,情形刚好相反,即位于低能级的电子数总是大于高能级的电子数,这是因为在高能级的电子很不稳定,总是向低能级跃迁。
那么,怎样才能使这种状态反过来呢?
这个过程就是所谓的“粒子数反转”。
粒子数反转能够使高能级的电子数远远多于低能级的电子数。
;怎样实现粒子数反转呢?
答案是:如果外界向物质提供了能量,就会使得低能级上的电子获得能量,并大量地激发到高能级上去,像一个泵一样,不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上,就可达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1 ,此时,我们称这个能量为激励或者泵浦。
;;4.1.4 PN结
PN结是由P型半导体和N型半导体共同组成的结。
P型半导体和N型半导体是通过掺以过多电子或缺少电子的杂质方法而得到的。
根据PN结的性质不同,可以分为:
同质结
单异质结
双异质结
量子阱
;
半导体光源的核心,即发光区(有源区)就是由一个或多个垂直方向的PN结组成的。
半导体光源通常采用异质结结构作为有源发光区。
;
采用异质结结构有如下好处:
1.两种半导体之间的带隙差有助于电子-空穴复合,在有源层中就会不断有光产生;
2.由于有源层具有更小的带隙,所以其折射率比其周围的P型和N型包层折射率略大。这样,有源层可以看成是一个介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制有源层所支持的光波波长。 ;4.2 半导体光源;4.2.1 半导体激光器的特点和应用;4.2.1 半导体激光器的特点和应用;综上所述,半导体激光器的激射条件为:
粒子数反转
受激辐射
正反馈;4.2.1 半导体光源工作原理;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。
;;2. 发光二极管LED
对于光纤通信系统,如果使用多模光纤且信息比特率在100~200Mb/s以下,同时只要求几十微瓦的输入光功率,那么LED是可选用的最佳光源。
LED通常和多模光纤耦合,用于1.31μm或0.85μm波长的小容量、短距离的光通信系统。
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