光纤通信_第3章 光源与光检测器概要ppt课件.ppt

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1、第3章光源与光检测器3.1半导体LD的工作原理3.2输出光功率及光源与光纤的耦合3.3LD的温度特性与自动温度控制3.4LD的输出光功率稳定性与自动功率控制3.5半导体LED3.6光检测器3.7PIN3.8APD习题三3.1半导体LD的工作原理3.1.1光放大1.受激辐射的概念大家已经知道，任何一个物理系统如原子内部的电子是处于不同的能量轨道上的，电子在每一个这样的轨道上运动时具有确定的能量，称为原子的一个能级。能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量关系的。当原子中的电子与外界有能量交换时，电子就在不同的能级之

2、间跃迁，并伴随有能量如光能、热能等的吸收与释放。考虑一个具有二能级的原子系统，能级为E1和E2，且E2>E1，如果照在其上的光波频率为fc，且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1,h为普郎克常数，则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁，E1→E2和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2，原子从E2跃迁到E1放出一个光子，其能量与入射光子的能量hfc一样，前者称为受激吸收，后者称为受激辐射，它与自发辐射是不同的，它们合称为光与物质之间的三种相互作用,即自发辐射、受激吸收、受激辐射。如果

3、受激辐射超过受激吸收而占主导地位，则入射的光信号会引起E2→E1之间的跃迁多于E1→E2之间的跃迁，导致了能量为hfc的光子数的净增加，入射的光信号得到了放大，如图3.1所示；否则，光信号将被衰减。图3.1二能级原子系统的受激辐射与吸收根据物理学原理可知，每个原子的E1→E2的跃迁速率和E2→E1的跃迁速率是一样的，可以用r表示。如果假设能级E1和E2上的粒子数（电子的数目）分别为N1和N2，则功率净增益（单位时间的能量）为（N2-N1）hfc。显然，如果要实现信号放大，该值必为正,即（N2-N1）>0,N2>N1。这一

4、条件称为粒子数反转分布。之所以称为粒子数反转分布，　是因为在正常热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的,　入射的光信号总是被吸收。2.半导体光放大（器）尽管半导体光放大器用来放大光信号时的性能不如EDFA放大器，但实际上对它的研究比EDFA还早。人们发现它除了用于光放大之外还可用于光开关、波长变换器,所以学习它也是理解半导体激光器的基础。图3.2给出了半导体光放大器SOA的框图。SOA实际上是一个PN结，由下面的分析可知，中间的耗尽层实际上充当了有源区，当光通过有源区时，光由于受激辐射而得

5、到了放大。由于放大器的增益是波长的函数。图3.2半导体光放大器的结构在粒子数反转分布情况下，导带中的电子数是很多的，这时如有光照射，将有更多的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比），实际上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的条件。图3.3P型半导体的能带和电子数(a)热平衡;(b)粒子数反转图3.4用作放大器的正向偏置的ＰＮ结(a)ＰＮ结；(b)没有正向偏置电压时的少数载流子和耗尽层；(c)施加正向偏置电压Uf时的少数载流子和耗尽层半导体的粒子数反转分布可以通过

6、对PN结加正向偏压来实现。PN结由P型和N型半导体组成。P型半导体是在半导体中掺入合适的原子，如III族的磷P，使它有多余的空穴。相反，N型半导体中掺入合适的原子，如VI族的铟In，使其有多余的电子。当正向偏置电压足够大时，增加的少数载流子引起了粒子数反转，因此，ＰＮ结可用作光放大器。实际中很少使用简单的ＰＮ结。在ＰＮ结之间有一很薄的半导体材料，它与ＰＮ结的半导体材料相异，这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区或层，它与Ｐ型或Ｎ型半导体材料相比，其禁带宽度较小，而折射率较高。高的折射率使这种结构构成了一个电介

7、质波导，在放大时有利于将光限制在有源区内。半导体光放大器中的粒子数反转分布条件（受激辐射超过吸收）是波长或频率的函数，如入射光波的频率为fc，则满足hfc>Eg(Eg为半导体的禁带宽度)。如果与Eg对应的最低光频即最长光波长能够放大，则随着正向偏压的加大，该波长的粒子数反转分布条件首先满足，随着正向偏置电压的加大,注入的电子占据了Ｐ型半导体的高能级，这时短波长的信号开始放大。实际上半导体SOA的放大带宽可达100nm，可以同时放大1.30μm、1.55μm窗口的信号。3.1.2F-P腔半导体激光器半导体激光器是光纤通信最

8、主要的光源，它实际上是置于一个反射腔之内的光放大器。反射腔通过正反馈使放大器产生振荡。半导体激光器的增益介质是正向偏置的PN结。如果将放大器置于如图3.5所示的F-P腔内，就构成了一个F-P腔放大器。F-P腔实际上是由两个平行的平面反射镜构成的，它使得只有与腔内谐振波长相对应的波的增益增高。换句话说,F-P腔具有波长