光纤通信系统光源与光发射机课件.pptVIP

第三章光源与光发射机

n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。n光发射机=光源+驱动电路+辅助电路

两种半导体光源发光二极管（LED）：输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。适用短距离低速系统激光二极管(LD):输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。适用长距离高速系统

光纤通信系统对光源的要求n（1）合适的发射波长；n（2）发射功率大，响应速度快；n（3）输出谱窄、以降低光纤色散的影响n（4）辐射角小、与光纤的耦合效率高n（5）调制容易、线性好、带宽大n（6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省

主要内容n一、半导体中光的发射和激射原理n二、半导体发光二极管(LED)n三、半导体激光二极管(LD)n四、数字光发射机

一、半导体中光的发射和激射原理n激光产生的物理基础n半导体材料的能带结构n半导体PN结光源n发光波长n直接带隙和间接带隙材料n异质结

激光产生的物理基础1）原子的能级近代物理实验证明，原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量不连续的分立的内能称为粒子的能级。

粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被激发至高能级，且能级越高，处于该能级的粒子数越少。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。

其中，N、N为处于能级E、E上的粒子数，1212k0=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，下图为玻尔兹曼分布曲线。

2）光与物质的相互作用n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。n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。n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。

图：能级和电子跃迁

在外界能量作用下，处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去，从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数，这种分布状态称为粒子数的反转分布。在外界入射光的激发下，高能级上的粒子产生大量的全同光子，以实现对入射光的放大作用。我们把处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。这种物质可以是固体、液体或气体，也可以是半导体材料。把利用光激励、放电激励或化学激励等方法达到粒子数反转分布的方法称为泵浦或抽运。

3）光的放大：n先决条件：粒子数反转分布n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n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。n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E与价带顶E之间的能带不能为cv电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙E(E=E-E)。ggcv

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。

图3.1半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体

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。

在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。我们可以利用半导体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，那么，在有源区的放大补偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。这就是半导体激光器的的基本原理。

发光波长半