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第四章光源和光发射机

第四章的主要内容?§4-1概述；?§4-2半导体光源的工作原理；?§4-3半导体激光器；?§4-4发光二极管；?§4-5光源的调制及驱动电路；?§4-5LD光发射机的控制电路；?本章思考题。9/3/20232广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-1概述一、光发射机简单框图输入电路驱动电路光源控制电路电信号光信号对光源进行调制辅助电路：稳定信号，控制温度光源—光发射机的核心部件：?半导体激光管LD；适用于长短距离大、容低量码的速光的纤数通字信光系纤统通，信尤系其统是，或单纵者模是半模导拟体光激纤光通?半导体发光二极管LED。器信，系在统。高速其率制、造大工容艺量简的单数、字成光本纤低通、信可系靠性统中好得。到广泛应用。9/3/20233广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-1概述此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。9/3/20234广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-1概述二、光发射机的主要指标光发射机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。1.平均发送功率及其稳定度平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率，是在“0”、“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。2.消光比消光比定义为全“1”码的输出功率与全“0”码的输出功率之比，取常用对数，通常用符号EXT表示：9/3/20235广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-1概述光发射机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求1.光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内；2.有足够高和稳定的输出功率；3.电光转换效率高、驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高；4.单色性和方向性好；9/3/20236广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-1概述5.易调制、响应速度快；6.光强对驱动电流的线性要好，以保证足够多的信号模拟调制光源而不发生畸变；7.体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体光源呢？半导体光源可以直接进行调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。9/3/20237广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-2半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁—光源的物理基础能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，即：原子中的电子只能在一定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能量最低，电子受原子核束缚最强，最外层的轨道量子态能量最高，电子受原子核束缚最弱，这些不同的轨道运行时相应的能量值（包括电子的动能和电位能）称为能级。9/3/20238广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-2半导体光源的工作原理能级跃迁：原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生量子跃迁，量子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。热跃迁：交换的能量是热运动的能量；光跃迁：交换的能量是光能。√9/3/20239广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-2半导体光源的工作原理考虑双能级的系统，低能级E和高能级E，设12处于高能级E和低能级E上的电子数分别为N和N，2当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：121k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于(E-E)0，T0，所以在热平衡状态下，21总是NN，这说明电子总是首先占据能量低的能级。129/3/202310广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-2半导体光源的工作原理自发辐射：高能级E上的电子不稳定，会按一定的概率2自发地跃迁到低能级E上与空穴复合，释放的能量以光1子（频率为υ，能量为hυ=E-E）的形式辐射。21分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间各个方向传播，是非相干光（荧光）。所以，自发辐射过程的特点如下：①处于高能级电子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关；②由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间（如共价晶体中导带向价带的自发辐射），因此材料的发射光谱范围很宽；③即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，是一种非相干光。9/3/202311广东海洋大学理学院·光纤通信

§4-2半导体光源的工作原理受激吸收/跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用下（感应光子能量为hυ=E-E），吸收一个光子从低21能级E跃迁到高能级E上。12当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N总是大于高能级的粒子（电子）1数N，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激2吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波