第4章 光源和光电检测器ppt课件.ppt

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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光放大器本章重点激光器的工作原理光源和光电检测器工作原理及其工作特性光放大器的工作原理及特性本章难点发光机理学习本章目的和要求了解光纤通信系统对光源和光电检测器的要求，导带、价带、禁带等概念了解各种光源和光电检测器的基本结构掌握光与物质相互作用的3中方式、光源与光电检测器的工作原理掌握LD和LED的区别、PIN和APD的区别掌握光源与光电检测器的主要特性参数熟悉光放大器的类型及应用场合通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。在

2、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，它的作用是将电信号转换为光信号，并将此光信号送入光纤线路中进行传输。光源是光发射机的核心。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

3、响；光源必须容易进行调制，线性要好；发射的光功率应足够大，而且稳定度要高，入射光功率必须有数十微瓦至数毫瓦，才能使光中继距离满足系统要求；如果光源采用直接调制方式，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；温度特性好。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

4、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（2）原子能级物质都是由原子构成，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。（1）光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，

5、f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。最低的能级称为基态（低能级太），能量比基态大的所有其他能级都称为激发态（高能级态）。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，f为吸收或辐射的光子频率，Eg为禁带能量。当处于低能级的电子受到一个光子能量∆E=hf的光照射时，该

6、能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级上去。（3）半导体的P-N结没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想半导体，称为本征半导体。若向本征半导体材料中掺入提供电子的杂质则形成N型半导体，N型半导体材料中电子浓度高，空穴浓度很低，属于电子导电型。若向本征半导体材料中掺入提供空穴的杂质则形成P型半导体，P型半导体材料中空穴浓度高，电子浓度很低，属于空穴导电型。对单独的N型或P型材料，仍是电中性。当N，P两种半导体材料结合后，由于它们存在浓度差，必然出现电子、空穴从浓度高向浓度低的地方扩散现象，即N型材料中

7、的电子向P型材料扩散、P型材料中的空穴向N型材料中扩散。当P区中的空穴扩散到N区后，在P区就留下带负电的离子；当N区中的电子扩散到P区后，在N区就留下带正电的离子。结果在两种材料结合的P侧出现一个负电荷区，N侧出现一个正电荷区，即空间电荷区。由于空间电荷的存在，出现了一个N指向P的电场，称为内建电场。在内建场的作用下，P区中的电子向N区漂移；N区中的空穴向P区漂移。这种漂移运动和扩散运动相反,当达到动态平衡时,就形成了稳定的内建场,这时的空间电荷区内没有自由移动的带电粒子，不导电，称为P-N结。对

8、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。（4）光与物质的相互作用光可以被物质吸收，物质也可以发光，光的吸收和发射与物质内部能量状态的变化有关。电子在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：自发辐射自发辐射是出于高能级的电子不稳定，在没有外界条件影