【正文】 第四章 光源和光發(fā)射機 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 2 2022年 2月 11日星期五 ?167。 41 概述 ； ?167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 ； ?167。 43 半導(dǎo)體激光器 ； ?167。 44 發(fā)光二極管 ； ?167。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路 ； ?167。 45 LD光發(fā)射機的控制電路 ； ? 本章思考題 。 第四章的主要內(nèi)容 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 3 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 光源 —光發(fā)射機的核心部件： ?半導(dǎo)體激光管 LD； ?半導(dǎo)體發(fā)光二極管 LED。 電信號 輸入電路 驅(qū)動電路 光源 控制電路 對光源進行調(diào)制 輔助電路：穩(wěn)定信號，控制溫度 光信號 一、光發(fā)射機簡單框圖 適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)，尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 4 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 此動畫為光發(fā)射機工作原理動畫，光源在調(diào)制電流的作用下發(fā)光，然后耦合進光纖傳輸。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 5 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 二、光發(fā)射機的主要指標 光發(fā)射機的指標很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標。 1. 平均發(fā)送功率及其穩(wěn)定度 平均發(fā)送功率是指光源尾纖的平均輸出光功率，是在 “ 0”、 “ 1”碼等概率調(diào)制的情況下，光發(fā)送機輸出的光功率值，單位為 dBm。 2. 消光比 消光比定義為全“ 1”碼的輸出功率與全“ 0”碼的輸出功率之比，取常用對數(shù)，通常用符號 EXT表示： 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 6 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 光發(fā)射機的消光比一般要求大于 ，即 “ 0”碼光脈沖功率是 “ 1”碼光脈沖功率的七分之一。 三、對光源的要求 1. 光源發(fā)射的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口內(nèi)； 2. 有足夠高和穩(wěn)定的輸出功率； 3. 電光轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動功率低，同時要求壽命長，可靠性高； 4. 單色性和方向性好； 11 0 l g PEXTP?全全 0廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 7 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 5. 易調(diào)制、響應(yīng)速度快； 6. 光強對驅(qū)動電流的線性要好，以保證足夠多的信號模擬調(diào)制光源而不發(fā)生畸變； 7. 體積小、重量輕。 為什么目前多采用半導(dǎo)體光源呢？ 半導(dǎo)體光源可以直接進行調(diào)制，即注入調(diào)制電流而實現(xiàn)光波強度調(diào)制。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 8 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 一、原子能級躍遷 —光源的物理基礎(chǔ) 能級： 原子由原子核和核外電子組成，核外電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，每個電子的運行軌道并不相同，各代表不同的量子態(tài)，即： 原子中的電子只能在一定的量子態(tài)中運動 ；在最里層的軌道上量子態(tài)的能量最低，電子受原子核束縛最強，最外層的軌道量子態(tài)能量最高，電子受原子核束縛最弱，這些不同的軌道運行時相應(yīng)的能量值（包括電子的動能和電位能）稱為能級。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 9 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 能級躍遷： 原子中的電子可通過 與外界交換能量 的方式發(fā)生量子躍遷，量子躍遷交換的能量有熱能、光能，分別為 熱躍遷 和 光躍遷 。 熱躍遷： 交換的能量是熱運動的能量； 光躍遷： 交換的能量是光能。 √ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 10 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 考慮雙能級的系統(tǒng)， 低能級 E1和高能級 E2，設(shè)處于高能級 E2和低能級 E1上的電子數(shù)分別為 N2和 N1，當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布： k= 1023J/K，為波爾茲曼常數(shù)， T為絕對溫度。 由于 (E2E1)0， T0，所以在熱平衡狀態(tài)下，總是 N1N2，這說明 電子總是首先占據(jù)能量低的能級 。 1 2 12e x pN E EN KT?????????廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 11 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 自發(fā)輻射： 高能級 E2上的電子不穩(wěn)定，會按一定的概率自發(fā)地躍遷到低能級 E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量以 光子 （頻率為 υ，能量為 hυ= E2 E1 ）的形式輻射。 所以，自發(fā)輻射過程的特點如下： ① 處于高能級電子的自發(fā)行為，與是否存在外界激勵作用無關(guān)； ② 由于自發(fā)輻射可以發(fā)生在一系列的能級之間（如共價晶體中導(dǎo)帶向價帶的自發(fā)輻射），因此材料的發(fā)射光譜范圍很寬； ③ 即使躍遷過程滿足相同的能級差（光子頻率一致），它們也是獨立的、隨機的輻射，是一種非相干光。 分裂的能帶，這些光子僅僅能量相同而彼此無關(guān)，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空間各個方向傳播，是非相干光（熒光）。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 12 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 受激吸收 /躍遷： 處于低能級上的電子在感應(yīng)光場的作用下（感應(yīng)光子能量為 hυ= E2 E1 ），吸收一個光子從低能級 E1躍遷到高能級 E2上。 所以，受激吸收過程的特點如下： ① 受激吸收時需要消耗外來光能； ② 受激吸收過程對應(yīng)光子被吸收，生成電子 — 空穴對的光電轉(zhuǎn)換過程。 當某物質(zhì)與外界處在熱平衡狀態(tài)下，低能級的粒子（電子）數(shù) N1總是大于高能級的粒子（電子）數(shù) N2，在這種狀態(tài)下，有感應(yīng)光場時，必然是受激吸收占主要地位，不會出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，光波經(jīng)過該物質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 13 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 受激輻射： 處于高能級 E2的電子在感應(yīng)光場作用下（感應(yīng)光子能量為 hυ= E2 E1 ），發(fā)射一個和感應(yīng)光子 一模一樣 的光子，躍遷到低能級 E1上。 所以， 受激輻射的特點如下： ① ② 受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子，是相干光。 ③ 受激輻射過程實質(zhì)上是將感應(yīng)光得到放大。 發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，是相干光。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 14 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 15 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 每種躍遷是不是獨立存在的呢？ 實際上，在光電器件中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收過程總是同時出現(xiàn)，但對于各種特點的光電器件， 只有一種機理起主要作用 ，分別對應(yīng)的是：發(fā)光二極管 LED，半導(dǎo)體激光管 LD和光電二極管 /光電探測器。 光纖通信多數(shù)采用 LD，則受激輻射的條件和結(jié)果？ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 16 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 ?條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) : 如果外界向物質(zhì)提供了能量，就會使得低能級上的電子獲得能量大量地激發(fā)到高能級上去，像一個泵不斷地將低能級上的電子 “ 抽運 ”到高能級上，我們稱這個能量為激勵或者泵浦過程，從而達到高能級上的粒子數(shù) N2大于低能級上的粒子數(shù) N1的分布狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 。 ?結(jié)果 光放大過程 :當物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下， 高能級上的大量電子就會在受到外來感應(yīng)光子的激發(fā)下，發(fā)射出與入射光子的頻率、相位、偏振方向、傳播方向完全相同的相干光，這樣，就實現(xiàn)了用一個弱的入射光激發(fā)出一個強的出射光的 光放大過程 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 17 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 二、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和載流子 在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時 ， 由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的 共有化運動 ， 晶體能譜分裂成若干組 ， 每組中能級彼此靠得很近 ， 組成有一定寬度的帶 —能帶 。 半導(dǎo)體內(nèi)部自由運動的電子 (簡稱自由電子 )所填充的能帶稱為 導(dǎo)帶 ；價電子所填充的能帶稱為 價帶 ；導(dǎo)帶和價帶之間 不允許電子填充 ， 所以稱為 禁帶 ， 其寬度稱為 禁帶寬度 /帶隙 ， 用 Eg表示 ， 單位為電子伏特 (eV)。 Eg =EcEv E2 E1 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 18 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 此動畫為 晶體的能帶 動畫：導(dǎo)帶和價帶為光源提供了物理基礎(chǔ)。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 19 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 電子在能級上是如何分布的呢？ (遵循的規(guī)律 ) 電子的能級分布： 費米 狄拉克統(tǒng)計規(guī)律 在熱平衡條件下，能量為 E的能級被電子占據(jù)的概率 p(E)服從費米分布函數(shù) 費米統(tǒng)計規(guī)律是物質(zhì)粒子能級分布的 基本規(guī)律 ，它反映了物質(zhì)中的電子 按一定規(guī)律占據(jù)能級 。 費米能級： 不是一個可以被電子占據(jù)的實際存在的能級，它是反映電子在各能級中分布情況的參量， 具有能級的量綱 ，位置由總電子數(shù)能級具體情況決定，對本征半導(dǎo)體，在禁帶的中心。 ( ) /1()1 f fE E k Tp E Ee ???? ， 費 米 能 級廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 20 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 p(E)是電子在各能級分布的概率，所以有 ① 當 E=Ef時， p(E) =1/2， 能級 E被電子占據(jù)的概率和空穴占據(jù)的概率相等，實際上費米能級不存在； ② 當 EEf時， p(E) 1/2， 能級 E被電子占據(jù)的概率比較大，如果 (EfE)kT，則p(E) →1 ，能級幾乎被電子占據(jù)； ③ 當 EEf時， p(E)1/2， 能級 E被電子占據(jù)的概率比較小，如果 (EEf)kT，則p(E) →0 ，能級幾乎被空穴占據(jù)。 ( ) /1()1 f fE E k Tp E Ee ???? ， 費 米 能 級廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 21 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 根據(jù)費米統(tǒng)計規(guī)律，可得各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布： E f導(dǎo) 帶禁 帶價 帶E f(a) 本征半導(dǎo)體 (b) 兼并型 P型半導(dǎo)體 E f(c) 兼并型 N型半導(dǎo)體 (d) 雙兼并型半導(dǎo)體 E fEfc Efv 低溫下，本征半導(dǎo)體費米能級的禁帶的中心位置。 對于重摻雜兼并型 P型半導(dǎo)體，由于受主雜質(zhì)的摻入（三價元素的雜質(zhì)），多數(shù)載流子是空穴，費米能級進入半導(dǎo)體的價帶。 對于重摻雜兼并型 N型半導(dǎo)體，由于施主雜質(zhì)的摻入（五價元素的雜質(zhì)），多數(shù)載流子是電子，費米能級進入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 22 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 雙兼并型半導(dǎo)體， 是一種 非熱平衡狀態(tài)下 的情況，因而用兩種費米能級 Efc和 Efv來表征載流子的統(tǒng)計分布。在價帶中，載流子的統(tǒng)計分布與兼并型 P型半導(dǎo)體的分布相似，而導(dǎo)帶中則與兼并型 N型半導(dǎo)體的情況類似。因此， Efc和 Efv之間形成了一個 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的區(qū)域 。若有一光波，光子能量滿足 Eghυ (Efc Efv )，則這束光波經(jīng)過雙兼并型半導(dǎo)體時將被放大（ 光放大 ）。 半導(dǎo)體激光器 LD就是利用這種重摻雜的雙兼并型半導(dǎo)體的特點。 (d) 雙兼并型半導(dǎo)體 E fEfc Efv 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 23 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 三、 PN結(jié) 1. PN結(jié)的形成 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體形成 PN結(jié)時， 載流子的 濃度差引起擴散運動 ， P區(qū)的空穴向 N區(qū)擴散，剩下帶負電的電離受主，從而在靠近 PN結(jié)界面的區(qū)域形成了一個 帶負電的區(qū)域 ；同樣，