《光发送原理》.ppt

第五章 光源与光发送机 5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路 5.1 半导体光源的物理基础 5.1.1 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。 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。 在图5.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。 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。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。 根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为： hν12=E2-E1 式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；ν12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。 2. 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。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。 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。 5.1.3 粒子数反转分布状态 1. 粒子数正常分布状态 在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。 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，这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。 5.2 半导体光源的工作原理 5.2.1 发光二极管的工作原理 半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)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，典型值为0.85μm、1.31μm及1.55μm。 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、边发光二极管及超辐射发光二极管。 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 LED的工作原理可以归纳如下：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，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 在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)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、工作物质及谐振腔。 1. 激光二极管的类型结构 (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(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极管。 一种增益波导型激光二极管的类型结构如图5.6所示，图中虚线之间的部分为电流流经的区域。 一种折射率波导型激光二极管的结构如图5.7所示。 (2) 单频激光二极管 一般地，普通激光二极管只能工作于多纵模状态，其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率。 ① 分布反馈机理激光二极管 在分布反馈(Distributed Feedback，DFB)机理激光二极管中，通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用。 ② 耦合腔激光二极管 模式选择也可以采用耦合腔结构实现，其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔(或复合腔)时，这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，最终实现了模式选择功能。 ③ 量子阱激光二极管 出现较晚的量子阱(Quantum Well，QW)激光二极管，已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用。 ④ 波长可调谐单频激光二极管 波长可调谐单频激光