《光纤通信技术教学资料》第3章第1节.ppt

《《光纤通信技术教学资料》第3章第1节.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章光源与光发送机1第3章光源与光发送机光发送机是将电输入信号转换为相应的光信号的光电转发中心，是各种光波系统的基本组成单元和决定光波系统性能的基本因素。光发送机的核心部件是光源，光纤通信系统均采用半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为光源，这类光源具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并可在高速条件下直接调制等优点。本章将专门讨论半导体光源的原理、结构、特性及由它构成的光发送机。2在光纤通信系统中，光发送机的作用是将电信号转变成光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。光发送机的核心是光源及其驱动电路。光纤通信系统对光源的要求，主要有：(1)发射波长与使

2、用的光纤传输窗口波长一致；(2)调制容易、线性好、带宽大；(3)输出谱窄，以降低光纤色散的影响；(4)辐射角小，与光纤的耦合效率高；(5)寿命长、体积小、耗电省等。3能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的是两种半导体光源：发光二级管(LED)和激光二极管(LD)。这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；LD：是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高。因此，LED适宜于短距离低速系统，LD适宜于长距离高速系统。43.1半导体光源的物理基础量子物理实验证明，原子是由原子核和绕核旋转的电子组成，核外电子都在特定的能级中运动，并能通过与外

3、界交换能量而发生能级跃迁，若交换的能量是光能，则称为光跃迁。光源的工作原理基于：光子的吸收自发发射受激发射5能级E1:低(下)能级；能级E2:高(上)能级。按普朗克定律，原子在两个能级之间的跃迁是能量为hf＝E2－E1的光子被吸收和发射的过程。图3.1原子的三种基本跃迁过程61)光的自发发射原子在高能级上是不稳定的，当它跃迁回低能级时，放出能量为hf的光子，这是一种自发发射过程（如图b）。（3-1动画示意图）3.1.1发射与吸收速率由3.1图所示两能级原子系统，设N1为基态E1原子密度，N2为激发态E2原子密度，为辐射能量的谱密度。（3.1.1-1）式中A为常数自发发射速率为7受激发射

4、的速率为2)光的受激发射若原子原来处于高能级上，这时又有能量为hf的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子。这发射的光子和入射光子具有相同的状态(能量、相位、偏振态等)，这样产生的发射称为受激发射（如图c）。（3-2动画示意图）（3.1.1-2）式中B为常数8在正常情况下，原子处于低能级上，能量为hf的入射光子被吸收后，原子从低能级跃迁到高能级上（如图a）。3)光的受激吸收受激吸收的速率为（3-3动画示意图）（3.1.1-3）式中为常数9为了产生受激发射为主的光发射，必须创造两个基本条件：(1)N2》N1，即高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数（热平衡状态下是N1》N2），这种

5、条件称为粒子数反转。(2)足够高的辐射谱密度ph。（3.1.2）在热平衡时，原子分布遵守玻耳兹曼统计分布：103.1.2pn结的形成及其能带结构1.PN结的形成半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。P型半导体和N半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。11Ｐ型半导体、Ｎ型半导体能带示意图12(1)本征半导体对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充(黑圆点)。而导带中所有位置都空着，如图3.3(a)所示。13通过重掺杂（施主杂质）形成N型半导体，对N型半导体，过剩电子占据了未掺杂(本

6、征)半导体中空的导带，费密能级向导带移动，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型N型半导体，如图3.3(b)所示。(2)N型半导体14n型半导体――当本征半导体掺杂时，施主能级(位于导带下面)电离时提供更多的自由电子到导带中，其导电特性决定于导带电子，电子为多数载流子，费米能级上升。N型费米能级15通过重掺杂（受主杂质）形成P型半导体，对P型半导体，费密能级向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型P型半导体，如图3.3(c)所示。(3)P型半导体16p型半导体――当本征半导体掺杂时，受主能级电离时(位于价带上面)提供更多的空穴到价带中，其导电特性主要由价带空穴决定，空穴为多数

7、载流子，且费米能级下降。p型费米能级导带价带17在P型半导体中存在大量带正电的空穴和等量的带负电的电子，但总体上呈现电中性。同样在N型半导体中带负电的电子和等量的带正电的空穴，也相互抵消，呈电中性。(4)热平衡状态下的P型和N型半导体统一的费米能级导带和价带被能量为Eg的禁带(带隙)分开。对不同的半导体材料，Eg是不同的。18当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的离子，从而在靠近PN