【正文】 第四章 光源和光發(fā)射機 廣東海洋大學理學院 光纖通信 2 2022年 2月 11日星期五 ?167。 41 概述 ； ?167。 42 半導體光源的工作原理 ； ?167。 43 半導體激光器 ； ?167。 44 發(fā)光二極管 ； ?167。 45 光源的調制及驅動電路 ； ?167。 45 LD光發(fā)射機的控制電路 ； ? 本章思考題 。 第四章的主要內容 廣東海洋大學理學院 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： ?半導體激光管 LD； ?半導體發(fā)光二極管 LED。 電信號 輸入電路 驅動電路 光源 控制電路 對光源進行調制 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。 廣東海洋大學理學院 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。 廣東海洋大學理學院 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： 廣東海洋大學理學院 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)射的峰值波長應在光纖的低損耗窗口內； 2. 有足夠高和穩(wěn)定的輸出功率； 3. 電光轉換效率高、驅動功率低，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廣東海洋大學理學院 光纖通信 7 2022年 2月 11日星期五 167。 41 概述 5. 易調制、響應速度快； 6. 光強對驅動電流的線性要好，以保證足夠多的信號模擬調制光源而不發(fā)生畸變； 7. 體積小、重量輕。 為什么目前多采用半導體光源呢？ 半導體光源可以直接進行調制，即注入調制電流而實現(xiàn)光波強度調制。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 8 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 一、原子能級躍遷 —光源的物理基礎 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，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。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 9 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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。 √ 廣東海洋大學理學院 光纖通信 10 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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?????????廣東海洋大學理學院 光纖通信 11 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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； 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，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）。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 12 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 受激吸收 /躍遷： 處于低能級上的電子在感應光場的作用下（感應光子能量為 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 受激吸收過程對應光子被吸收，生成電子 — 空穴對的光電轉換過程。 當某物質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)過該物質時強度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 13 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 受激輻射： 處于高能級 E2的電子在感應光場作用下（感應光子能量為 hυ= E2 E1 ），發(fā)射一個和感應光子 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 受激輻射過程實質上是將感應光得到放大。 發(fā)射光子和感應光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，是相干光。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 14 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 廣東海洋大學理學院 光纖通信 15 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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 ，分別對應的是：發(fā)光二極管 LED，半導體激光管 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果？ 廣東海洋大學理學院 光纖通信 16 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 ?條件 粒子數(shù)反轉分布狀態(tài) : 如果外界向物質提供了能量，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)反轉分布狀態(tài) 。 ?結果 光放大過程 :當物質粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)下， 高能級上的大量電子就會在受到外來感應光子的激發(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 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 17 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 二、半導體能帶結構和載流子 在大量原子相互靠近形成半導體晶體時 ， 由于半導體晶體內部電子的 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 。 半導體內部自由運動的電子 (簡稱自由電子 )所填充的能帶稱為 導帶 ；價電子所填充的能帶稱為 價帶 ；導帶和價帶之間 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 廣東海洋大學理學院 光纖通信 18 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 此動畫為 晶體的能帶 動畫：導帶和價帶為光源提供了物理基礎。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 19 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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)律是物質粒子能級分布的 基本規(guī)律 ，它反映了物質中的電子 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 級廣東海洋大學理學院 光纖通信 20 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 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 級廣東海洋大學理學院 光纖通信 21 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 根據(jù)費米統(tǒng)計規(guī)律，可得各種半導體中電子的統(tǒng)計分布： E f導 帶禁 帶價 帶E f(a) 本征半導體 (b) 兼并型 P型半導體 E f(c) 兼并型 N型半導體 (d) 雙兼并型半導體 E fEfc Efv 低溫下，本征半導體費米能級的禁帶的中心位置。 對于重摻雜兼并型 P型半導體，由于受主雜質的摻入（三價元素的雜質），多數(shù)載流子是空穴，費米能級進入半導體的價帶。 對于重摻雜兼并型 N型半導體，由于施主雜質的摻入（五價元素的雜質），多數(shù)載流子是電子，費米能級進入半導體的導帶。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 22 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 雙兼并型半導體， 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型半導體的分布相似，而導帶中則與兼并型 N型半導體的情況類似。因此， Efc和 Efv之間形成了一個 粒子數(shù)反轉的區(qū)域 。若有一光波，光子能量滿足 Eghυ (Efc Efv )，則這束光波經(jīng)過雙兼并型半導體時將被放大（ 光放大 ）。 半導體激光器 LD就是利用這種重摻雜的雙兼并型半導體的特點。 (d) 雙兼并型半導體 E fEfc Efv 廣東海洋大學理學院 光纖通信 23 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 三、 PN結 1. PN結的形成 P型半導體和 N型半導體形成 PN結時， 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結界面的區(qū)域形成了一個 帶負電的區(qū)域 ；同樣，