光纤通信系统第三章光源与光发射机.pptVIP

第三章光源与光发射机 光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。 光发射机=光源+驱动电路+辅助电路 光纤通信系统对光源的要求 （1）合适的发射波长； （2）发射功率大，响应速度快； （3）输出谱窄、以降低光纤色散的影响 （4）辐射角小、与光纤的耦合效率高 （5）调制容易、线性好、带宽大 （6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省 主要内容 一、半导体中光的发射和激射原理 二、半导体发光二极管(LED) 三、半导体激光二极管(LD) 四、数字光发射机 一、半导体中光的发射和激射原理 激光产生的物理基础 半导体材料的能带结构 半导体PN结光源 发光波长 直接带隙和间接带隙材料 异质结 2）光与物质的相互作用 自发辐射——电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 受激辐射——高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。 受激吸收——低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。 3）光的放大： 先决条件：粒子数反转分布 必要条件：激活煤质的出现和激励源的存在 半导体材料的能带结构 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。 根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。 能量低的能带是价带，相对应于原子最外层电子（价电子）所填充的能带，处在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。 半导体PN结光源 半导体光源的核心是PN结（ 将P型半导体与N型半 导体相接触就形成PN结） 无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为本征半 导体 本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体，过 剩的电子占据本征半导体中空的导带，处在高能级 的电子增多，其费米能级就较本征半导体的要高。 本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体，其 费米能级就较本征半导体的要低。 当P型半导体与N型半导体相接触形成PN结时，由于存在电子与空穴的浓度差，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，因此使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高。当P区的空穴扩散到N区后，在P区留下带负电的离子，形成一个带负电荷区域； 当N区的电子扩散到P区后，在N区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。 发光波长 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为 例如，对于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的LED的发射波长就为λ=0.87μm。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度，可以发射不同波长的光。 不同半导体材料的带隙及发光波长 二、半导体发光二极管(LED) Light Emitting Diode 结构： 面发光、边发光 工作特性： 光谱特性、P-I特性、发光效率、调制特性等 发光二极管的结构 实际中多采用异质结 根据发光面与PN结的结平面平行或垂直可分为面发光二极管（SLED）和边发光二极管（ELED）两种结构 面发光二极管（SLED） 边发光二极管（ELED） 工作特性 光谱特性 P-I特性 发光效率 调制特性 光谱特性 P-I特性 输出的光功率随注入电流的变化关系 当注入电流较小时，线性度非常好； 当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。 温度对P—I特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低 发光效率 分为内量子效率和外量子效率 内量子效率：（存在非辐射复合） 外量子效率：（材料吸收、波导效应等） 调制特性 改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号——直接调制或内调制 发光二极管的模拟调制原理图 发光二极管的数字调制原理图 发光二极管的频率响应 PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为 t为载流子的寿命 随着调制频率的提高