5第三章(1)光源.ppt

第三章光源与光发送机(1),问题的提出,光纤通信系统中利用什么来携带信息?,光纤通信系统中需要什么样的光源?,激光二极管LD,发光二极管LED,半导体光源的物理基础,光纤通信对光源的要求,本节内容,光纤通信系统对光源的要求,合适的发光波长；足够的输出功率；光谱宽度窄；温度特性好；可靠性高、寿命长；,体积小，重量轻；输出效率高；聚光性好；调制方便；价格低廉。,半导体光源的物理基础,光子与光波；原子的内能与能级；普朗克公式；光的吸收与辐射；半导体光源。,光的辐射和吸收,爱因斯坦的量子理论指出：光与物质相互作用时将发生自发辐射、受激辐射和受激吸收。,在正常情况下，系统处在低能级上。h=E1-E2的入射光子被吸收，原子将由低能级E1向高能级E2跃迁，这一过程称为受激吸收。,受激吸收,由于位于高能级E2的原子是不稳定的，将自发地向低能级跃迁，并释放出能量为h=E1-E2的光子，这种辐射称为自发辐射。各个处于高能级的粒子都是自发的、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不同，所以自发辐射的频率范围很宽。自发辐射产生非相干光。,自发辐射,若原子原来处于高能级E2上，被能量为hv的光子激发，将向E1能级跃迁，并产生能量为hv的光子。两者同频，同相，同偏振，为相干光。这一辐射过程称为受激辐射。,受激辐射,粒子数反转,受激吸收正比于E1能级的粒子数N1，受激辐射正比于E2能级的粒子数N2。热平衡态下，N1N2，受激吸收大于受激辐射，不能产生受激辐射光放大。为了使物质以受激辐射为主，必须打破上述平衡，使N2N1，即造成粒子反转。,热平衡时,处于高能级的原子数总是低于处于低能级的原子数。,半导体光源,光纤通信中使用的光源均为半导体光源。半导体材料与其他材料（金属与绝缘体）不同，它具有能带结构而不是能级结构。半导体材料的能带分为导带、价带与禁带。电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光子而发光。半导体光源是由P型半导体材料和N型半导体材料制成，在两种材料的交界处形成了PN结。若在其两端加上正向偏置电压，则N区中的电子与P区中的空穴会流向PN结区并复合，复合时释放出能量等于禁带宽度的光子。,半导体光源中心辐射波长,中心辐射波长由有源层的禁带宽度Eg决定：Eg=E2E1=h=hc/=hc/Eg=1.24/Eg(ev)(m)短波长半导体光源：GaAsAlEg=1.4241.549ev，其发光波长在0.810.87m范围内。长波长半导体光源材料：InGaAsPEg=0.751.24ev，其发光波长在1.01.65m范围内。,发光二极管LED,发光二极管(LED)是低速、短距离光波系统中常用的光源，结构简单，是由GaAsAl类的P型材料和N型材料制成的一个正向偏置的PN结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光，属自发辐射发光。它所发的光是非相干光，具有较宽的谱宽(30-60nm)和较大的发射角(100)。,LED组成,半导体发光二极管是一个PN结，它是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管是由N型半导体(掺杂微量族元素，如P、As、Sb)形成的N层和P型半导体(掺杂微量族元素，如Al、Ga、In)形成的P层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.10.2m左右。,LED的发光机理,LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。,面发光二极管SLED,边发光二极管,LED技术参数,LED的特点及应用,优点：线性度好；温度特性好；工作电流小；使用简单、价格低、工作寿命长。缺点：谱线较宽；与光纤的耦合效率低。应用：小容量、短距离的数字光纤通信或线性度要求较高的模拟光纤通信。,半导体激光二极管(LD),半导体激光器即为激光二极管，其结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。半导体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光子，受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同，而且相位、方向也相同。这样由弱的入射光激励而得到了强的发射光，起到了光放大作用。,光学谐振腔,如果谐振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么谐振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场越来越强。,半导体激光器产生激光的条件,LD的结构,金属接触层,P型,大面积激光器,LD的光谱特性,LD的优点,发光谱线窄：仅有15nm，有的甚至小于1nm。波长和尺寸与光纤尺寸适配，与光纤的耦合效率高；尺寸小；响应速度快；可直接调制，相干性好。,实用LD的外形,LD的缺点,温度特性较差；线性度较差；工作寿命较短。,使用