光发射机与光接收机课件.pptVIP

第10章光发射机与光接收机第10章光发射机与光接收机10.1光源10.2光发射机10.3光电检测器10.4光接收机10.5光电集成器件与电路

第10章光发射机与光接收机10.1光源光源的作用——把要传输的电信号转换成光信号发射去一、对光源的基本要求(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高(2)调制方法简单(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配(4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率(5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好(6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转(7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转换效率要高

第10章光发射机与光接收机能满足上述基本要求的光源是半导体光源。半导体激光器(LD)中、长距离最常用的光源大容量(高码速)系统半导体发光二极管(LED)。短距离、低容量系统模拟系统。

第10章光发射机与光接收机10.1.1激光二极管（LD）1．基本结构激光二极管的基本结构框图

第10章光发射机与光接收机2．LD的工作原理（1）半导体材料的能级结构半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度E=E-Egcv在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目N远多于导带能级上的电子总数目N，即N??N。VCVC半导体材料电子能级示意图

第10章光发射机与光接收机（2）半导体材料中电子能态的变化①自发辐射发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。②受激辐射发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。③受激吸收在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上。

第10章光发射机与光接收机在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数N成正比，C受激吸收的概率与价带上的电子总数N成正比。所以，V若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数N远大于价带上的电子总数N，这称为粒子数反转VC状态。

第10章光发射机与光接收机（3）PN结的能带和电子分布在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产生放大作用。

第10章光发射机与光接收机（4）电激励其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。（5）光学谐振腔前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光学谐振腔。其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。

第10章光发射机与光接收机3．LD的类型结构（1）同质结LD由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结LD。例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。GaAs同质结LD结构示意图

第10章光发射机与光接收机（2）异质结LD由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗小。异质结LD结构示意图

第10章光发射机与光接收机半导体光源的发光机理半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。如果让占据较高能级E的电子跃迁到较低能级E上，就会ij以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差E和光的振荡g频率f之间的关系为Eg=hf(10.1)式中，h为普朗克常数(h=6.626×10-34J·s)。

第10章光发射机与光接收机半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区的电子及P型区的空穴源源不断地流向P-N结区。在那里电子与空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。在这种情况下，各个光子在时间上及方向上都不相同，这种光称为自发光,该发光器件叫做发光管。其发光机理如图10.1所示。

第10章光发射机与光接收机图10.1发光机理示意图(a)光的自发发射；(b)光的受激发射

第10章光发射机与光接收机另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原