光纤通信技术教学课件作者李方健第4章节光源和光电检测器课件

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1、第4章：光源和光电检测器内容目录4.1光源4.2光电检测器4.3光放大器通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。在上章我们介绍了光无源器件，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，它们是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。4.1光源能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线等不可见光）的物体称为光源。光纤通信系统对光源的要求主要有：光源所发射的波长要在光纤的低损耗区；光源的谱宽要窄，以降低光纤色散的影响；光源必须容易进行调制，线性要好；如果光源采用直接调制方式，

2、要求其调制速率要高；寿命长，体积小，稳定性好；耗电小，光束的发散角小，与光纤的耦合效率高。能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的半导体光源有两种：发光二极管LED和激光二极管LD。两种光源的主要区别在于：LED输出的是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低，经济，寿命长，调制电路简单，适宜于短距离低速系统；LD输出的是相干光，谱宽窄，调制速率高，入纤功率大，适宜于长距离高速系统。4.1.1半导体器件的发光原理万事万物都是由原子构成，原子又是由原子核和电子组成。电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能

3、带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带。一般说来，处于高能级的导带的电子是不稳定的，它们会向低能级的价带跃迁，从而将能量以光子的形式释放出来，发射光子的能量hf等于导带和价带的能量差，即：hf=E2-E1=Egh=6.626×10-34（焦·秒）为普朗克常数，Eg为禁带能量。这就是半导体器件的发光机理。对于LED和LD两种半导体发光器件都是利用PN结发光。如果在PN结加上正向偏压，则N型区的电子和P型区的空穴源源不断地注入PN结区。在PN结区中，电子与空穴自发地复合。复合时，电子从高能级的导带跃迁到低能级的价带，同时发射一定频率的光子。电

4、子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式，分别为自发辐射、受激吸收、受激辐射。如下图所示：设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为N1和N2，当物质中的原子处在正常温度时的热平衡状态下，存在下面的分布：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]上式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态（即正常分布状态）。此时即使有外部光的入射，也会由于吸收的光要比受激辐射的光多，而不会产生发光现象。为了能使原子发光就必须从外部给原子以能量，使高能级E2上的电子数增加并多于低

5、能级E1上的电子数。对于N1＜N2的状态，相当于将上式中的T变为负值，因此称作为负温度状态。相比于N1＞N2的正常分布，N1＜N2的分布也称为粒子（电子）数反转分布，这是半导体器件发光的首要条件。4.1.2半导体激光器LD半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。1.LD的基本结构及工作原理双异质结对电子和光子有限制作用，把电子和光子限制在有源区内。限制作用表现在两个方面：有源层的禁带宽度比限制层大，电子难以越过两边的边界，而被限制在有源区内，使有源区的电子浓度增加；另一方面，有源层的折射率比限制层大，

6、在有源区形成一个波导结构，将光发射限制在有源区内。半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。给二极管加上正偏压，电子和空穴在有源区内复合而发光，由于电子和光子被限制在有源区内，有源区的电子不断增加，形成电子数反转分布，电子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但只有电子数反转分布是不够的，还不能产生激光，必须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。所以,产生激光有两个条件：一是光的放大作用，它要求电子数反转分布，同时具有正反馈的谐振腔；二是要满足阈值条件，即光功率增益大于光功率衰减。2.激光器的基本特性1）P-I特性随着激光器注入电流的增加，其输

7、出光功率增加，但不是成直线关系，它有一个阈值电流Ith。激光器的P-I特性曲线如下图所示：2）效率特性激光器的效率特性有两个参数：微分量子效率ηd和功率转换效率ηP。微分量子效率ηd的定义是：ηd=输出光子数增量/输入电子数增量=eΔP/hfΔI微分量子效率ηd是衡量激光器电/光转换效率的参数。ηd大，转换效率高。功率转换效率ηP的定义是：ηP=输出光功率/消耗的电功率3）发射波长λ=hf/Eg=1.24/Eg不同半导体