光纤及其应用精.pptx
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1、第三章第三章 光源和光电检测器光源和光电检测器 在在光光纤纤通通信信技技术术领领域域中中所所用用的的光光源源只只有有微微型型半半导导体体光光源源发发光光二二极极管管(LED)和和激激光光二二极极管管(LD),他他们们是是光光发发送送器器的的核核心心和和灵灵魂魂,所所以以我我们们把把主主要要精精力力集集中中于于讨论他们的工作原理和关键特性。讨论他们的工作原理和关键特性。第三章第三章 光源和光电检测器光源和光电检测器重难点重难点 光源和光电检测器光源和光电检测器 教学内容教学内容 光源光源 光电检测器光电检测器 半导体激光器的工半导体激光器的工作原理与特性作原理与特性 光检测器的工作原光检测器的工
2、作原理理 第三章第三章 光源和光电检测器光源和光电检测器3.1 3.1 半导体的能带理论半导体的能带理论3.2 PN3.2 PN结的能带结构结的能带结构3.33.3 发光二极管发光二极管3.4 3.4 半导体激光器半导体激光器3.5 LD3.5 LD的工作特性的工作特性3.6 3.6 光电检测器的工作原理和主要光电检测器的工作原理和主要要求要求3.7 PIN3.7 PIN和和APDAPD的工作原理的工作原理3.8 3.8 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性3.1 3.1 半导体的能带理论半导体的能带理论1 1、晶体的能带、晶体的能带 晶晶体体的的能能谱谱在在原原子子能能级级的的基基础础上
3、上按按共共有有化化运运动动的的不不同同而而分分裂裂成成若若干干组组。每每组组中中能能级级彼彼此此靠靠得得很很近近,组组成成有有一一定定宽宽度度的的带带,称为能带。称为能带。锗、硅和锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价成共价键的价电子所占据的能带称为价带(意味着较低的能量)。带(意味着较低的能量)。价带下面的能带是被电子占满了,价带下面的能带是被电子占满了,称为满带(满带中的电子不起导电作用)称为满带(满带中的电子不起导电作用)。价带上面的能带称为导带(意味着价带上面的能带称为导带(意味着较高的能量)。较高的能量)。价带和导带,价带和满带之间的宽
4、价带和导带,价带和满带之间的宽度,不能被电子占据因此称为禁带(费度,不能被电子占据因此称为禁带(费米能级)。米能级)。导带和价带是通过禁带来分开的,导带和价带是通过禁带来分开的,在禁带的范围中不包括任何的能级(也在禁带的范围中不包括任何的能级(也就是说没有电子)。换句话说,电子可就是说没有电子)。换句话说,电子可以在价带或导带所对应的轨道上活动,以在价带或导带所对应的轨道上活动,决不能在它们之间决不能在它们之间禁带上活动。禁带上活动。当绝对温度是零度,同时又没有外当绝对温度是零度,同时又没有外加电场时,所有的电子都集中在价带而加电场时,所有的电子都集中在价带而没有电子在导带。这是因为没有电子拥
5、没有电子在导带。这是因为没有电子拥有足够的能量来越过禁带。但一旦有外有足够的能量来越过禁带。但一旦有外加能量,使得价带的电子中的某些获得加能量,使得价带的电子中的某些获得足够的能量来越过禁带,占据导带的能足够的能量来越过禁带,占据导带的能级。我们称这些电子是级。我们称这些电子是“受激的受激的”光是如何辐射的:当一个受激的电子从一个高能带向一个低能带跃迁时,光是如何辐射的:当一个受激的电子从一个高能带向一个低能带跃迁时,他释放出一量子的能量成之为光子他释放出一量子的能量成之为光子其中是两个能级之间差,是光子的其中是两个能级之间差,是光子的能量,而是波长能量,而是波长2 2、光辐射与能带、光辐射与
6、能带同样的道理也适用于半导体同样的道理也适用于半导体如果一个受激电子从导带向价带跃迁时,如果一个受激电子从导带向价带跃迁时,它释放的光子的能量是大于或等于禁带的它释放的光子的能量是大于或等于禁带的能量的,这是因为在价带和导带之间不是能量的,这是因为在价带和导带之间不是一个而是多个能级参与辐射过程,所以有一个而是多个能级参与辐射过程,所以有许多临近的波长可以被辐射许多临近的波长可以被辐射能量导带价带波长波长波长波长波长波长3.1 3.1 半导体的能带理论半导体的能带理论3.2 PN3.2 PN结的能带结构结的能带结构P-N结内载流子运动结内载流子运动1、PN结的形成结的形成 当当P型半导体和型半
7、导体和N型半导体物理接型半导体物理接触时,一个结就形成了,在触时,一个结就形成了,在PN结结的交界面,载流子的浓度差引起扩散的交界面,载流子的浓度差引起扩散运动,运动,P区的空穴向区的空穴向N区扩散,剩下带区扩散,剩下带负电的电离受主,从而在靠近负电的电离受主,从而在靠近PN结界结界面的区域形成一个带负电的区域。同面的区域形成一个带负电的区域。同样,样,N区的电子向区的电子向P区扩散,剩下带正区扩散,剩下带正电的电离施主,从而造成一个带正电电的电离施主,从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区,没有可以移动的了一个空间电荷区,没有可以移
8、动的电子或空穴,这些离子就产生了一个电子或空穴,这些离子就产生了一个内部电场。内部电场。P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移半导体结发光过程半导体结发光过程当当PN结加上正向电压时,外加电压的电场方向消弱了自建场,结结加上正向电压时,外加电压的电场方向消弱了自建场,结果能带倾斜减小,扩散增强,在电子和空穴扩散过程中,导带的果能带倾斜减小,扩散增强,在电子和空穴扩散过程中,导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合,产生自发辐射光。为了得到持电子可以跃迁到价带和空穴复合,产生自发辐射光。为了得到持久的光辐射,必须出现以下的动态过程:区附近的移动电子被久的光辐射,必须出现以下的动态过程:区附近的移
9、动电子被的阳极所吸引,进入耗尽区同时,区附近的空穴被的阴的阳极所吸引,进入耗尽区同时,区附近的空穴被的阴极所吸引,也进入同一个耗尽区在耗尽区中电子空穴从而复极所吸引,也进入同一个耗尽区在耗尽区中电子空穴从而复合产生光。电荷通过偏压电路返回合产生光。电荷通过偏压电路返回 耗尽区和耗尽电压耗尽区和耗尽电压光辐射作为电子空穴复合的结果光辐射作为电子空穴复合的结果耗尽区型(负离型(负离子和空穴)子和空穴)型(正离子和活型(正离子和活动电子)动电子)结型型结3.3 发光二极管发光二极管发发光光二二极极管管(LED)(LED)是是低低速速、短短距距离离光光通通信信系系统统中中常常用用光光源源。由由于于发发
10、光光二二极极管管(LED)(LED)是是一一种种由由结结构构成成的的半半导导体体二二极极管管,因因此此它它的的工工作作原原理理和和我我们们刚刚才才讲讲过过的的持持久久的的光光辐辐射射的的实实现现方方法法相相同同:正正向向电电压压促促使使电电子子和和空空穴穴进进入入耗耗尽区并发生复合,扩散过程中发光。尽区并发生复合,扩散过程中发光。LEDLED是是非非相相干干光光源源,它它的的发发光光过过程程是是自自发发辐辐射射过过程程,发发出的是荧光,它没有光学谐振腔,是无阈值器件。出的是荧光,它没有光学谐振腔,是无阈值器件。大功率大功率LED彩色彩色LED食人鱼食人鱼3.3 发光二极管发光二极管应用要求:应
11、用要求:适用于要求亮度高,一致性好适用于要求亮度高,一致性好,寿命长的产品寿命长的产品应用:应用:汽汽车车灯灯饰饰,灯灯饰饰,消消费费性性电电子子产产品品:LEDLED地地砖砖灯灯LEDLED灯灯杯杯 七七彩彩LED LED LEDLED星星星星灯灯串串 食食人人鱼鱼LED LED 发发光光字字LEDLED模模组组 LEDLED地地埋埋灯灯 LEDLED彩彩虹虹管管 大大功功率率LED LED LEDLED护护栏栏灯灯 普普通通LED LED LEDLED幕幕墙墙灯灯 LEDLED七七彩彩球炮球炮性能指标:性能指标:(1)(1)亮度范围:亮度范围:500mcd500mcd20000mcd 20
12、000mcd(2)(2)发光角度:发光角度:2 2度度,度,度,度度,度,度(3)(3)颜色范围颜色范围:红光,橙光,黄光,蓝光,绿光,白光、七红光,橙光,黄光,蓝光,绿光,白光、七彩等彩等(4)(4)封装封装:有圆头、子弹头、草帽形、圆柱平头、方形、有圆头、子弹头、草帽形、圆柱平头、方形、椭圆形、墓碑形、四脚方形。椭圆形、墓碑形、四脚方形。3.3 发光二极管发光二极管LEDLED工作特性工作特性工作特性工作特性(1)光谱特性光谱特性(2)电光转换特性)电光转换特性()耦合特性耦合特性(4)温度特性温度特性(1)光谱特性光谱特性 它的谱线宽度较宽,对高速率调制是不利的。它的谱线宽度较宽,对高速
13、率调制是不利的。(2)LED的电光转换特性的电光转换特性 光输出功率光输出功率P与注入电流与注入电流I的关系,一般称为的关系,一般称为P-I曲线,曲线,LED的的P-I曲线线性范围较大。在进行调制时,曲线线性范围较大。在进行调制时,动态范围大,信号失真小。动态范围大,信号失真小。()耦合特性耦合特性 LED发出的光束的发散角较大,范围为发出的光束的发散角较大,范围为40120,耦,耦合效率低。合效率低。(4)温度特性温度特性 LED输出功率对温度的依赖性在输出功率对温度的依赖性在2060范围内,范围内,变化不大,所以温度特性较好,一般不需加温控电路。变化不大,所以温度特性较好,一般不需加温控电
14、路。由以上特性可以看出,由以上特性可以看出,LED输出功率较低,光谱较宽,输出功率较低,光谱较宽,但由于使用简单,寿命长等特点,在中短距离光纤数字通但由于使用简单,寿命长等特点,在中短距离光纤数字通信系统和模拟信号传输系统,应用还是比较广泛的。信系统和模拟信号传输系统,应用还是比较广泛的。RLED正偏电压V正向电流(mA)辐射光功率(mW)3.4 半导体激光器半导体激光器-器件器件 半半导导体体激激光光器器自自从从2020世世纪纪7070年年代代发发展展起起来来后后,现现在在已已被被广广泛泛应应用用。随随着着商商用用光光纤纤的的出出现现,这这种种激激光光二二极极管管的的特特性性如如亮亮度度、定
15、定向向性性、窄窄光光谱谱宽宽度度以以及及相相干干特特性性等等,使使其其成成为为长距离光纤链路的最佳光源长距离光纤链路的最佳光源激光二极管激光二极管3.4 半导体激光器半导体激光器-器件器件医疗用激光器医疗用激光器激光模组激光模组1 1、光纤通信对半导体激光器的主要要求、光纤通信对半导体激光器的主要要求3.4 半导体激光器半导体激光器-工作原理工作原理光源应在光纤的光源应在光纤的三个低损耗窗口三个低损耗窗口工作,工作,0.85m、1.31m或或1.55m光源的谱线宽度光源的谱线宽度较窄,较窄,=0.11.0nm能够提供足能够提供足够的输出功够的输出功率,可达到率,可达到10mW以上以上能长时间连
16、能长时间连续工作,工续工作,工作稳定作稳定与光纤耦与光纤耦合效率高,合效率高,30%50%对半导体激光器的对半导体激光器的基本要求基本要求 2 2、辐射分为两类、辐射分为两类:自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射.自发辐射自发辐射-处于高能级的原子是不稳定的,在没有外界的影响下,会自发处于高能级的原子是不稳定的,在没有外界的影响下,会自发的从高能级向低能级跃迁,并伴随着发射光子。自发辐射的光频率相同,的从高能级向低能级跃迁,并伴随着发射光子。自发辐射的光频率相同,相位随机,是非相干光。相位随机,是非相干光。受激辐射受激辐射-如果让一个外来的光子激发一个受激的原子,一个不同的过程如果让一个外来的
17、光子激发一个受激的原子,一个不同的过程将会发生,如下图,在外来光子的激励作用下,产生了一个和外来光子完将会发生,如下图,在外来光子的激励作用下,产生了一个和外来光子完全相同的光子。受激辐射得到的是相干光。全相同的光子。受激辐射得到的是相干光。3.4 半导体激光器半导体激光器-工作原理工作原理hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1自自发发辐辐射射 受受激激辐辐射射 3 3、LDLD的工作原理的工作原理3.4 半导体激光器半导体激光器-工作原理工作原理产产生生激激光光应应满满足足三三个个基基本本条条件件 基本条件基本条件光光
18、反反馈馈粒粒子子数数反反转转振荡的阈值条件振荡的阈值条件1 1、光反馈、光反馈 能量导带价带镜子导带价带镜子镜子光放大光放大正反馈正反馈为了得到所需要的受激光,我们需要的不是一个而是数百万个光子。如为了得到所需要的受激光,我们需要的不是一个而是数百万个光子。如何才能激发这样的辐射,采用的方法是在激活层的一端放上一面镜子,何才能激发这样的辐射,采用的方法是在激活层的一端放上一面镜子,如下左图,两个光子一个是原始的,一个是受激的如下左图,两个光子一个是原始的,一个是受激的-于是被反射回来,于是被反射回来,重新进入激活层。这两个光子又作为外来光子,通过激活层的时候又激重新进入激活层。这两个光子又作为
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