【正文】 ）。 第四章 光源與光發(fā)送機(jī) 半導(dǎo)體光源的工作原理 LED工作原理 LD工作原理 ? LD與 LED ? 激光器被視為 20世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光器 LD倍受重視 。 N2N1的分布和正常狀態(tài) (N1N2)的分布相反 ,所以稱為 粒子 (電子 )數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。 ? 光經(jīng)過晶體時(shí)，受激吸收占主要地位，光被衰減吸收。 光與物質(zhì)的相互作用 晶體中電子的躍遷 h? E2 E1 自發(fā)輻射躍遷 E2 E1 受激吸收躍遷 h? h? E2 E1 受激輻射躍遷 h? h? 受激輻射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向 ? 晶體中電子按能級(jí)的分布 ? 處于 E2上的電子數(shù) N2 ? 處于 E1上的電子數(shù) N1 ? 大量分子在沒有外加能量的熱平衡條件下，電子按能級(jí)的分布符合玻爾茲曼分布： N2/N1=exp((E2E1)/Kt) k: 玻爾茲曼常數(shù)。 光與物質(zhì)的相互作用 ? 晶體的能帶 電子在原子之間作共有化運(yùn)動(dòng)，受相鄰原子的影響，原子的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。 E E2 E1 h? h? h? 光與物質(zhì)的相互作用 E E2 E1 h? ? 能級(jí)的躍遷 ? □ 受激吸收 E1上的電子吸收光子躍遷到 E2上，感應(yīng)光子能量 h? =E2E1 在外來光子激勵(lì)下，電子吸收外來光子能量，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，變成自由電子。 相干光（全同光）。 ? 半導(dǎo)體發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光器件。 ? □自發(fā)輻射 處在 E2上的電子自發(fā)地躍遷到 E1上，并發(fā)射一個(gè)光子， 光子 頻率為 ?，能量為： ?=h? =E2E1 h為普朗克常數(shù)，其值為 1034焦耳 ? 能級(jí)圖 就是用一系列高低不同的水平橫線來表示各個(gè)量子態(tài)所能取的能級(jí) EE E E4…… ，同一能級(jí)往往有好幾個(gè)量子態(tài)，根據(jù)泡利不相容原理，同一量子態(tài)不可能有兩個(gè)電子。 光源：實(shí)現(xiàn)電 ? 光變換。 光源與光發(fā)送機(jī) 光纖通信第四章 光源 調(diào)制器 驅(qū)動(dòng)電路 放大器 光電二極管 判決器 光纖 光纖 中繼器 光發(fā)送機(jī) 將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào) 在光纖通信中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)是由光發(fā)射機(jī)來完成的。光源是光發(fā)送機(jī)的核心器件。 半導(dǎo)體光源 : □ 半導(dǎo)體激光器 LD □ 發(fā)光二極管 LED 特點(diǎn)： □發(fā)射波長合適 □可進(jìn)行直接調(diào)制 □體積小，耦合效率高 □可靠性高 半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ) 孤立原子的能級(jí)和半導(dǎo)體的能帶 光與物質(zhì)的相互作用 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 光源的工作原理 光源的工作特性 光發(fā)送機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路與輔助電路 孤立原子的能級(jí)和半導(dǎo)體的能帶 ? 能級(jí)：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(gè)電子的運(yùn)行軌道并不相同，各代表不同的量子態(tài)，在最里層的軌道上量子態(tài)所取的能量最低，最外層的軌道量子態(tài)能量最高，這些不同的軌道運(yùn)行時(shí)相應(yīng)的能量值稱為 能級(jí) 。 ＋ 1 4 eE 5E 4E 3 ( 8 )E 2 ( 8 )E 1 ( 2 )硅原子的能級(jí)圖 ? 能級(jí)的躍遷 ? ? 通過和外界交換能量，原子所處的能級(jí)發(fā)生跳變 ? 能級(jí)的躍遷。秒 ? 對(duì)于大量電子，自發(fā)輻射光具有不同的相位，偏振方向，傳播方向 非相干光。 E2 E1 h? E 光與物質(zhì)的相互作用 ? 能級(jí)的躍遷 ? □ 受激輻射 ? 當(dāng)處于高能級(jí) E2的電子，在受到光子能量恰好為 E＝ hv＝ E2－ E1的外來入射光的照射時(shí)，電子在入射光子的刺激下，躍遷回到低能級(jí) E1，而且輻射出一個(gè)與入射光子有相同頻率、相同相位和相同傳播方向的光子，這種類型的躍遷稱為受激躍遷，其輻射稱為受激輻射 hv=E2E1 ? 發(fā)射光子和感應(yīng)光子的頻率，相位，偏振方向，傳播方向相同。 ? 半導(dǎo)體激光器是受激輻射的發(fā)光器件。 ? 半導(dǎo)體光檢測器是受激吸收工作的光電器件。 E1 E2 導(dǎo)帶 價(jià)帶 低能帶 價(jià)帶 高能帶 導(dǎo)帶 帶隙 禁帶 Eg 半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子 (簡稱自由電子 )所填充的能帶稱為 導(dǎo)帶 ；價(jià)電子所填充的能帶稱為 價(jià)帶 ；導(dǎo)帶和價(jià)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，用 Eg表示，單位為電子伏特 (eV)。 k=?1023 J/K T: 晶體的絕對(duì)溫度 (0K=273℃ ) ? 晶體中電子按能級(jí)的分布 ? 通常情況下， N2N1， ? 高能級(jí)上的電子數(shù)少。 ? 如果 N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。 ? 為了使物質(zhì)發(fā)光，必須進(jìn)行粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵(lì)方法、電激勵(lì)方法等。 ? 光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器 LD和發(fā)光二極管 LED。 ? 比起半導(dǎo)體激光器，因?yàn)?LED不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電路，所以 LED的 驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡單 ，另外制作 成本低 、 產(chǎn)量高 。LED發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng) 。 ? 發(fā)光二極管 LED ? 對(duì)于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在 100～ 200Mb/s以下，同時(shí)只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么 LED是可選用的最佳光源。 ? LD通常和單模光纖耦合，用于 、長距離光通信系統(tǒng)。 ? 工作原理： LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光 （ 非相干光 ） 。 在熱平衡狀態(tài)下有源區(qū)幾乎沒有電子空穴對(duì) ， 一般不發(fā)光；外加激勵(lì)時(shí)有源區(qū)存在大量電子空穴對(duì) ， 由于自發(fā)輻射而發(fā)光 。 L球透鏡 環(huán)氧樹脂 有源層 N層 發(fā)光區(qū) (a)表面發(fā)光型 N型限制層 微透鏡 P型限制層 有源層 波導(dǎo)層 (b)邊發(fā)光型 半導(dǎo)體激光器 LD ? 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn) ：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。 LD發(fā)射激光的首要條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) LD發(fā)射激光另一個(gè)條件 半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。 為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。 ? 它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。此時(shí)的增益就是激光器的 閾值增益 ，達(dá)到該增益所要求的注入電流稱作 閾值電流 。