光发射机资料课件.pptVIP

第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3分布反馈激光器4.4半导体激光器的特性1

4.1概述§在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。§光发射机的关键器件是光源：光发射二极管（LED）激光二极管（LD）2

光纤通信对光源的要求§光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;§有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光传播距离的要求;§电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;§单色性和方向性好，与光纤的耦合效率高；§易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;§噪声小，以提高系统的信噪比;§光强对驱动电流的线性要好。3

最常用的光源§光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（LD）发光二极管（LED）§尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；§近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。《光纤通信》（第3版）原荣编著4

常用的调制方法§直接调制注入调制电流实现光波强度调制§外调制通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制5

模拟信号对LD直接调制6

7

数字信号对LD调制《光纤通信》（第3版）原荣编著8

直接调制9

外调制10

4.2.1发光机理§白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。§发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。§在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。《光纤通信》（第3版）原荣编著11

第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3分布反馈激光器4.4半导体激光器的特性12

半导体发光原理§在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；§如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；§发射光的波长由能量差决定。（P53）《光纤通信》（第3版）原荣编著13

自发辐射、受激辐射和受激吸收14

自发辐射---LED工作原理§如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；§当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。§电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能。15

自发辐射---LED工作原理§当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。§同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。§因此，自发辐射的光是一种非相干光。《光纤通信》（第3版）原荣编著16

受激吸收---探测器工作原理§光照射到占据低能带的电子上；§则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。§在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流（光电流）。17

受激发射和受激吸收§受激发射----能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；§受激吸收----有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。18

§在光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同，都满足能量守恒定律。§哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布：若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。?此外，激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。《光纤通信》（第3版）原荣编著19

半导体激光器的工作原理（P50）（a）没有偏置时的能带图（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发生受激发射20

LD发射激光的首要条件---粒子数反转21

LD发射激光的第二个条件---光学谐振腔§有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。§为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。22

Fabry(1867~1945)Perot(1863~1925)法国物理学家23

法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器§