《光源与光发送机》PPT课件

1、光源和光发射器，5.1半导体光源的物理基础5.2半导体光源的工作原理5.3光源的工作特性5.4光发射器5.5驱动电路和辅助电路，光源的重要性！光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光通信系统所需的光载波，其特性直接影响光纤通信系统的性能。如果没有光载体，所有的信息都无法传输。系统需要什么样的光源？1.合适的发射波长：光源的发射波长应满足目前光纤通信的三个低损耗窗口(0.85、1.31、1.55微米)，即光源的发射波长应与光纤的工作窗口一致。目前，0.85微米作为光通信系统的第一窗口已经基本使用，1.31微米的第二窗口正在被广泛使用，光纤通信系统正在向1.55微米的第三窗口转移。2.在有足够输出功

2、率的情况下，光源的输出功率必须足够大，并且光源的输出功率影响光通信系统的中继距离。光的输出功率越大，系统的中继距离就越长。但是这个结论是有条件的，即如果光源的输出功率太大而不能使光纤工作在非线性状态，这是光纤通信系统所不允许的。当然，目前的问题不是光纤的功率太高，而是它不够。因此，还应该努力增加光源的光功率输入，以增加中继距离。光源的输出功率一般大于1mw。3.可靠性高，寿命长，光源寿命长，通讯可靠。目前，通信工程要求光源的平均工作寿命为小时(约100年)，一般不允许通信中断。假设在一个通信系统中有10个光源。如果其中一个光源出现故障，整个系统将停止工作。从失效概率来看，系统中断到可靠性失效的

3、时间间隔为10万小时(约10年)，这是实际通信工程对元器件的要求。输出效率很高，输出光功率与消耗的DC功率之比称为输出功率。要求输出效率尽可能高，即功耗尽可能低，并且应该在低电压下工作。因此，向无人值守中继站供电更加方便。目前，产出效率标准大于10%，未来有望达到50%。5.光源的谱线宽度较窄，光谱宽度是光源的发光波长范围。人们希望光波像无线电波一样只能以一种频率振荡。事实上，做到这一点非常困难，只有光谱应该尽可能窄。光源的光谱宽度直接影响系统的传输带宽。当它与光纤的色散效应结合时，会产生噪声，影响通信系统的传输容量和中继距离。6、良好的聚焦，要求光源尽可能集中，汇聚到一个点，并通过光纤发出尽

4、可能多的光，即耦合效率高，使得进入光学结的功率大，系统的中继距离可以增加。7.调制很方便。调制是将声音等信息附加到光波上。如何用电信号有效地调制光波是系统成败的关键。8.价格低廉，体积小，使用方便；5.1半导体光源的物理基础；1.由原子核和围绕原子核旋转的电子组成的孤立原子的能级。围绕原子核旋转的电子能量不能取任意值，而只能取特定的离散值。这种现象被称为电子能量的量子化。电子围绕原子核旋转(动能)和旋转(势能)。动能和势能的总和叫做内能。1913年，丹麦物理学家玻尔提出，原子只能处于以不连续能级(稳态)为特征的一系列状态中，每个运动状态都有一定的内能(势能和动能之和)在图5.2中，半导体中由自

5、由运动电子(简称自由电子)填充的能带称为导带；由价电子填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许有电子填充，所以称之为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。图5.2半导体的能带结构以及光和物质之间的相互作用。爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表了辐射理论，这是激光理论的核心基础，因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三个过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。自发辐射，高能级的电子态是不稳定的，它会自发地从高能级(这是半导体晶体中导带的能级)移动到低能级(这是半导体晶体中价带的能级)，与空穴复合，同时释放光子。因为不需要外部激励，这个过程被称为自

6、发辐射。这种辐射的特点是每个原子的自发和独立跃迁，不需要外部影响。因此，根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：其中：h为普朗克常数，其值为6.62610-34Js；f是光子的频率；E2是高能级的能量；E1是低能级。应用：发光二极管，自发发射的特点： 1)没有外部作用，属于自发跃迁；2)原子中存在一系列能级，这使得光子在从高能级到低能级的跃迁中是多频率的，因此谱线较宽；3)即使一些电子具有相同的能级差，并且它们以相同的频率发射光子，但是它们的自发发射具有不同的相位、方向和偏振方向，这是非相干光。4)发射光子的频率取决于跃迁能级。受激吸收，在外部光子(外部光照射)的激发下，电子吸收外部光子的能量

7、，从低能级跃迁到高能级，成为自由电子。受激吸收过程只能在外部光子的激发下产生，并且外部光子的能量必须等于电子跃迁的能级差，并且在受激过程中不释放多余的能量。主要应用：光电探测器，受激辐射，在外部光子的激发下，高能级原子在光子的“刺激”下跃迁到低能级，并辐射与入射光子频率相同的光子。受激辐射的最大特点是它产生的光子与外来光子具有相同的频率和相位。由于需要外部激发，这个过程被称为受激辐射。这样，通过一个受激辐射，一个光子变成两个相同的光子，这意味着光被加强或放大。光放大器就是基于这样一个原理。应用：激光、光放大器、照明条件：自发辐射/受激辐射占主导地位；光电探测条件：受激吸收占主导地位；激光是如何

8、产生的？激光是如何产生的？在原子系统中，总有一些原子处于高能级，一些处于低能级。自发辐射产生的光子可以刺激高级原子产生受激辐射，也可以被低级原子吸收而产生受激吸收。因此，在光与原子系统的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果获得越来越多的光，也就是说，受激辐射产生的光子一定比受激吸收吸收的光子多。我们该怎么做？光子对于高能级和低能级的原子是一样的。在光子的作用下，高能级受激辐射的几率与低能级受激吸收的几率相同，因此光放大能否实现取决于高能级和低能级原子数的比值。如果高能级的原子比低能级的光子多得多，就可以获得高度放大的光。在热平衡状态下，高能级的电子数少于低能级的电子数。

9、在单位时间内，从高能级到低能级的粒子数总是小于从低能级到高能级的粒子数。因此，此时受激吸收大于受激辐射，也就是说，物质在热平衡条件下不能有光放大。因此，有必要在非平衡系统中找出。设置在一个单位物质中，而处于低能级E1和高能级E2(E2E1)的原子数目分别是N1和N2。当系统处于热平衡时，有以下分布：其中k=1.38110-23J/K是玻尔兹曼常数，t是热力学温度。因为(E2-E1)是0，T0，所以在这种状态下它总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能轨道。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光的强度呈指数衰减。这种物质被称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收

10、，当光通过这种物质时，它会产生放大，这就是所谓的活性物质。N2N1的分布与正常态(N1N2)的分布相反，因此称为粒子(电子)数反转分布。2。在非平衡系统中，高能级原子的数量大于低能级原子的数量，这种态称为布居反转。我们如何实现人口反转？这需要使用活化介质，即所谓的活化介质(也称为扩增介质)，它可以使物质在两个能级之间具有粒子数反转，这两个能级可以是气体、固体和液体。实现能级间粒子数反向分布的方法有很多，包括光激发法、电激发法等。如何实现粒子数的反演？5.2半导体光源的工作原理，即所谓的受体杂质，是指掺杂的杂质能够接受半导体中的价电子并产生相同数量的空穴，从而改变半导体的导电性。例如，半导体锗和

11、硅中的三价元素如硼、铟和镓是受体。如果在半导体中的杂质总量中受体杂质的数量占大多数，则该半导体是P型半导体。如果三价硼原子掺杂在单晶硅上，硼原子和硅原子形成共价键。硼是一种三价元素，它的外层只有三个价电子，所以当它与硅原子形成共价键时，它自然会形成一个空穴。这样，掺杂的硼杂质的每个原子可以提供一个空穴，因此大大增加了硅单晶中空穴载流子的数量。在这种半导体中几乎没有自由电子，主要是空穴传导，所以它被称为空穴半导体，简称P型半导体。所谓的施主杂质意味着掺杂杂质可以提供导电电子并改变半导体的导电性。例如，半导体锗和硅中的砷、锑和磷等五价元素的原子是施主杂质。如果给体杂质的数量在某一半导体中的杂质总量

12、中占大多数，那么该半导体是一种氮型半导体。如果硅单晶掺杂有五价元素砷和磷。然后，硅原子、砷原子和磷原子形成共价键后，在磷外层的五个电子中，四个电子形成共价键，一个额外的电子很少被原子核束缚，所以很容易成为自由电子。因此，在这种半导体中有许多电子载流子，主要是电子传导，称为电子半导体，简称N型半导体。在T0，Ef是费米能级。如果E=Ef，则p(E)=0.5；如果是EEf，p (e)为0.5；费米统计分布，在由P型和N型半导体组成的PN结的界面上，由于多数载流子(电子或空穴)的梯度(不同浓度)，发生扩散运动并形成内部电场，如图3.3(a)所示。内置电场的方向从N区指向P区，内部电场产生与扩散方向相

13、反的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，这两个运动处于平衡状态(平衡状态下只有一个费米能级)，因此能带倾斜，如图3.3(b)所示。直流电压施加到增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴。结果，获得了种群反转分布。在电子和空穴扩散的过程中，导带中的电子可以跃迁到价带并与空穴结合产生自发辐射光。获得粒子数反转的方法是向PN结施加直流电压。2。谐振腔，粒子数呈反比分布(必要条件)将活性物质置于光学谐振腔中，选择光的频率和方向=连续光学放大和激光振荡输出。基本光学谐振器由两个反射率为R1和R2的平行反射镜组成(如图3.4所示)，称为法布里-珀罗谐振器。因为共振腔中的活性物质具有粒子数的反向分布，所以它可

14、以用作入射光。1)频率选择方法，假设点A的平面波垂直投射到M1镜，被M1反射，然后垂直投射到M2。当回到点A时，如果它们之间的相位差是的整数倍，显然实现了谐振。如果l是谐振腔的长度和谐振腔介质中光波的波长，它应该是：q=1，2，3，显然，谐振腔波长与光学谐振腔材料的折射率n有关。当q不同时，可以有不同的波长，也就是说，有无限的共振波长。然而，在这些无限频率中，只有那些靠近谱线中心的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限数量的离散值。谱线中心：2)阈值条件：在光子传播和反射过程中将消耗一些能量，光子将向不希望的方向移动，这将迅速离开并减少光子总数。此外，还有声子的损失(晶格振动)。

15、在任何情况下，由活性物质产生的光学增益应该足以在振荡发生之前抵消所有损耗，因此净增益开始在振荡中出现的条件称为阈值条件。阈值条件所需的电流称为阈值电流。3.激光组成：激发源、工作物质和谐振腔激发源：使工作物质形成粒子数反转；工作物质：提供合适的能带结构，产生激光二极管所需的发光波长；谐振器：反馈，频率选择，4。激光器的工作原理，加上正向偏置，将氮区的电子和磷区的空穴注入PN结，从而实现粒子数反转分布，即使它变成活性物质(PN结是活性区)。在有源区，电子-空穴对结合发光。初始光场来自导带和价带的自发辐射，其方向是无序的，其中偏离轴向的光子很快从腔中逃逸出来，沿轴向运动的光子成为受激辐射的外部因素

16、，使它们产生受激辐射并发出相同的光子。这些光子被镜子来回反射，并不断穿过活性物质，这使得受激辐射过程像雪崩一样加剧，从而光被放大。重复这一过程，直到放大足以克服有源层和具有高反射率的界面的损耗，然后激光将输出到具有高反射率的界面的外部。半导体激光器的类型结构，在结构中间有一层厚度为0 . 10 . 3 m的窄带隙p型半导体，称为有源层；两侧都有宽带隙的p型和N型半导体称为限制层。在衬底上放置三层半导体，用前后晶体解理面作为反射镜形成法布里-珀罗谐振腔。因为限制层的带隙比有源层的带隙宽，所以在施加正向偏压之后，P层中的空穴和N层中的电子被注入有源层。该层的带隙较宽，导带的能态高于有源层的能态，为注入的电子形成势垒，注入有源层的电子不能扩散到P层。类似地，注入有源层的空穴不能扩散到氮层。这样，注入有源层的电子和空穴是c双异质结：两侧由不同的材料制成，可以大大降低阈值电流，提高效率。1)技术成熟、性价比高的氟磷腔激光器；多纵模透射(反射面方向、垂直有源层方向、平行有源层方向)；发射波长分别为850纳米和1310纳米。通常用于短距离和中距离传输；输出功率为几兆瓦；谱线宽度为320纳米；耦合效率高。2)单片布拉格激光器(DBR)，其中布拉格光栅用作反射器以获得具有较窄谱线的激