《光源及光发》PPT课件

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1、第4章光源及光发射机www.ysu.edu.cn第4章光源及光发射机光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信对光源的要求是小型化、单色、光强稳定（时间、温度变化时）和耐久。最普通的光源就是发光二极管和半导体激光器。4.1节发光二极管4.5节数字信号光纤传输4.2节半导体激光4.6节光发射机电路4.3节光载波的调制方式4.7节光源与光纤的耦合4.4节模拟信号光纤传输4.8节光载波的间接调制www.ysu.edu.cn4.1发光二极管发光二极管(LED)是由直接带隙的半导体材料制成的PN结二极管，是非相干光光源，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。发光二极管的突出优点是寿命长

2、，可靠性高，调制电路简单，成本低，主要用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。工作原理4.1.1LED的结构和分类4.1.2LED的基本特性4.1.3www.ysu.edu.cn4.1.1工作原理PN结电子能级图如图4.1所示，加正向偏压后，注入的非平衡少子在扩散过程中复合发光，其光子能量为式中，光子频率；h普朗克常数；是半导体材料的禁带宽度。因此，发射光波长取决于半导体材料，发光的中心波长为(4.1)式中，；。当Eg用电子伏特作为单位时，有(4.2)www.ysu.edu.cn4.1.1工作原理图4.1PN结电子能级以AlGaAs/GaAs为材料的发光二极管发光波长在范

3、围内，InGaAsP/InP材料的发光波长为。www.ysu.edu.cn4.1.2LED的结构和分类为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程。按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型，其结构示意图如图4.2所示。图4.2双异质结LEDwww.ysu.edu.cn4.1.3LED的基本特性1．光谱特性和发散角由于导带和价带都是包含许多细微能级的能带，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，使自发发射光谱的谱线较宽，其典型光谱如图4.3所示。图4.3LED的发光光谱www.ysu.edu.cn4.1.3LED的基本特性称为L

4、ED的谱线宽度(FWHM)，,是对应相对光光强为0.5时的波长，光强最大时为发射光中心（峰值）波长，一般为30~50nm，长波长InGaAsP/InP材料的是60~120nm。由于自发辐射光的方向是杂乱的，因此LED的发散角较大，垂直PN结的方向，平行PN结的方向。2．响应速度发光二极管的响应速度受制于载流子的自发复合寿命，因此减少少数载流子的寿命是提高响应速度的有效途径。一般采取高掺杂和高注入电流密度。www.ysu.edu.cn4.1.3LED的基本特性3．电光转换特性（光输出特性）LED的P-I曲线如图4.4所示，发光二极管是自发辐射的，不是阈值器件，它的输出光功率基本上与注入

5、电流成正比，因此P-I曲线的线性范围很大。图4.4LED的P-I特性曲线www.ysu.edu.cn4.1.3LED的基本特性4．温度特性发光二极管的输出光功率随温度的升高而减小，因为不是阈值器件，故功率不会有很大的变化。实际应用中也可以不采用温度控制，例如GaAlAs材料的LED输出光功率随温度的变化率为-0.01/K。其次，当温度升高时，发光的峰值波长会向长波长方向稍微移动，如图4.3所示。www.ysu.edu.cn4.2半导体激光器异质结结构的半导体激光器(LaserDiode,LD)，又称为注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。和其他激光器相比，LD具有体积小，重

6、量轻，驱动功率低，输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成等一系列优点而得到了广泛的应用。LD在光纤通信中的应用主要包括：(1)各种数据、图像等传输系统的发射光源；www.ysu.edu.cn4.2半导体激光器(2)光纤CATV系统的光源；(3)掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼光纤放大器(RFA)的泵浦光源；(4)未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。半导体激光器按结构可分为:法布里-珀罗(F-P)型LD、分布反馈(DFB)LD、分布Bragg反射器(DBR)LD、量子阱(QW)LD和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。下面将分别介绍这些激光器。www.

7、ysu.edu.cn4.2.1半导体激光器的基本工作原理(F-P型)半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构，其示意图如图4.5所示。所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的p-n结（也可能是p-p或n-n结）。普通p-n结也称为同质结。图4.5双异质结平面条形LD的基本结构www.ysu.edu.cn4.2.1半导体激光器的基本工作原理(F-P型)与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，在一定条件下就可以产生激