光纤通信系统光源与光发射机.pptx
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1、第三章光源与光发射机n光发射机的作用:光发射机的作用:将电信号转变成光信号,并有效的把光将电信号转变成光信号,并有效的把光信号送入传输光纤。信号送入传输光纤。n光发射机光发射机=光源光源+驱动电路驱动电路+辅助电路辅助电路两种半导体光源两种半导体光源发光二极管(发光二极管(LED):):输出非相关光,谱宽宽、入纤功率小、调输出非相关光,谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。制速率低。适用短距离低速系统适用短距离低速系统激光二极管激光二极管(LD):输出相干光,谱宽窄、入纤功率大、调制输出相干光,谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。速率高。适用长距离高速系统适用长距离高速系统光纤通信系统对光源的要求n(1
2、)合适的发射波长;)合适的发射波长;n(2)发射功率大,响应速度快;)发射功率大,响应速度快;n(3)输出谱窄、以降低光纤色散的影响输出谱窄、以降低光纤色散的影响n(4)辐射角小、与光纤的耦合效率高辐射角小、与光纤的耦合效率高n(5)调制容易、线性好、带宽大调制容易、线性好、带宽大n(6)寿命长、稳定性号,体积小、耗电省寿命长、稳定性号,体积小、耗电省主要内容主要内容n一、半导体中光的发射和激射原理一、半导体中光的发射和激射原理 n二、半导体发光二极管二、半导体发光二极管(LED)n三、半导体激光二极管三、半导体激光二极管(LD)n四、数字光发射机四、数字光发射机 一一、半导体中光的发射和激射
3、原理半导体中光的发射和激射原理 n激光产生的物理基础激光产生的物理基础n半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构n半导体半导体PN结光源结光源n发光波长发光波长n直接带隙和间接带隙材料直接带隙和间接带隙材料n异质结异质结 1)原子的能级原子的能级 近近代代物物理理实实验验证证明明,原原子子中中的的电电子子只只能能以以一一定定的的量量子子状状态态存存在在,也也即即只只能能在在特特定定的的轨轨道道上上运运动动,电电子子的的能能量量不不能能为为任任意意值值,只只能能具具有有一一系系列列的的不不连连续续的的分分立值。立值。我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的
4、能量不连续的分立的内能称为粒子的不连续的分立的内能称为粒子的能级能级。激光产生的物理基础激光产生的物理基础 粒子处于最低能级时称为粒子处于最低能级时称为基态基态,处于比基态高的,处于比基态高的能级时,称为能级时,称为激发态激发态。通通常常情情况况下下,大大多多数数粒粒子子处处于于基基态态,少少数数粒粒子子被被激激发发至至高高能能级级,且且能能级级越越高高,处处于于该该能能级级的的粒粒子子数数越越少少。在在热热平平衡衡条条件件下下,各各能能级级上上的的粒粒子子数数分分布布满满足足玻玻尔兹曼统计分布。尔兹曼统计分布。其中,N1、N2为处于能级E1、E2上的粒子数,k0=1.38110-23 J/K
5、为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,下图为玻尔兹曼分布曲线。2)光与物质的相互作用)光与物质的相互作用n自自发发辐辐射射电电子子无无外外界界激激励励而而从从高高能能级自发跃迁到低能级,同时释放出光子。级自发跃迁到低能级,同时释放出光子。n受受激激辐辐射射高高能能级级电电子子受受到到外外来来光光子子作作用用,被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级,同同时时释释放放出出光光子子,且且产产生生的的新新光光子子与与外外来来激激励励光光子子同频同方向,为相干光。同频同方向,为相干光。n受激吸收受激吸收低能级电子在外来光低能级电子在外来光子子作作用下吸收光能量而跃迁到高能级。用下吸收光能量而跃迁到高能级。图:能级和电
6、子跃迁 在在外外界界能能量量作作用用下下,处处于于低低能能级级的的粒粒子子将将不不断断地地被被激激发发到到高高能能级级上上去去,从从而而使使高高能能级级上上的的粒粒子子数数大大于于低低能能级级上上的的粒粒子子数数,这这种种分分布布状状态态称称为为粒粒子子数数的的反反转转分分布布。在在外外界界入入射射光光的的激激发发下下,高高能能级级上上的的粒粒子子产产生生大大量量的的全全同同光光子子,以实现对入射光的放大作用。以实现对入射光的放大作用。我我们们把把处处于于粒粒子子数数反反转转分分布布的的物物质质称称为为激激活活物物质质或或增增益益物物质质。这这种种物物质质可可以以是是固固体体、液液体体或或气气
7、体体,也也可可以以是是半半导导体体材材料料。把把利利用用光光激激励励、放放电电激激励励或或化化学学激激励励等等方方法法达达到到粒粒子子数数反反转转分分布的方法称为布的方法称为泵浦泵浦或或抽运抽运。3)光的放大)光的放大:n先决条件:粒子数反转分布先决条件:粒子数反转分布n必要条件:激活煤质的出现和激励源的存在必要条件:激活煤质的出现和激励源的存在半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构n半导体是由大量原子周期性有序排列构成半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体,其原子最外层电子轨道互相的共价晶体,其原子最外层电子轨道互相重叠,从而使其分立的能级形成了能级连重叠,从而使其分立的能级形成了
8、能级连续分布的能带。续分布的能带。n根据能带能量的高低,有导带、禁带和价根据能带能量的高低,有导带、禁带和价带之分。带之分。能量低的能带是能量低的能带是价带价带,相对应于原子,相对应于原子最外层电子(价电子)所填充的能带,处最外层电子(价电子)所填充的能带,处在价带的电子被原子束缚,不能参与导电。在价带的电子被原子束缚,不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下,可以克服价带中电子在外界能量作用下,可以克服原子的束缚,被激发到能量更高的原子的束缚,被激发到能量更高的导带导带之之中去,成为自由电子,可以参与导电。处中去,成为自由电子,可以参与导电。处在导带底在导带底Ec与价带顶与价带顶Ev之间的能
9、带不能为之间的能带不能为电子所占据,称为电子所占据,称为禁带禁带,其能带宽度称为,其能带宽度称为带隙带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。半导体半导体PN结光源结光源半导体光源的核心是半导体光源的核心是PN结结(将将P型半导体与型半导体与N型半型半 导体相接触就形成导体相接触就形成PN结)结)无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为本征半本征半导体导体 本征半导体中掺入施主杂质形成本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体型半导体,过,过剩的电子占据本征半导体中空的导带,处在高能级剩的电子占据本征半导体中空的导带,处在高能级的电子增多,其费米能级就较本征半导体的要高。的电子增多
10、,其费米能级就较本征半导体的要高。本征半导体中掺入受主杂质形成本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体型半导体,其,其费米能级就较本征半导体的要低。费米能级就较本征半导体的要低。图3.1半导体的能带和电子分布(a)本征半导体;(b)N型半导体;(c)P型半导体 当当P型半导体与型半导体与N型半导型半导体相接触形成体相接触形成PN结时,由于结时,由于存在电子与空穴的浓度差,存在电子与空穴的浓度差,电子从电子从N区向区向P区扩散,空穴区扩散,空穴从从P区向区向N区扩散,因此使区扩散,因此使N区的费米能级降低,区的费米能级降低,P区的区的费米能级升高。当费米能级升高。当P区的空区的空穴扩散到穴扩散到N
11、区后,在区后,在P区留下区留下带负电的离子,形成一个带带负电的离子,形成一个带负电荷区域;负电荷区域;当当N区的电子扩散到区的电子扩散到P区区后,在后,在N区留下带正电的离区留下带正电的离子,形成一个带正电荷区域。子,形成一个带正电荷区域。在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中,导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空空穴穴复复合合,产产生生自自发发辐辐射射光光。由由于于这这种种发发光光是是正正向向偏偏置置把把电电子子注注入入到到结结区区的的,又又称称为为电电致致发发光光。这这就就是是发发光光二二极极管管的的工工作作原理。原理。粒粒子子数数反反转转分分布布是是产产生生受受激
12、激辐辐射射的的必必要要条条件件,但但还还不不能能产产生生激激光光。只只有有把把激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中,对对光光的的频频率率和和方方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。我我们们可可以以利利用用半半导导体体材材料料晶晶体体的的天天然然解解理理面面构构造造光光学学谐谐振振腔腔,那那么么,在在有有源源区区的的放放大大补补偿偿了了各各种种损损耗耗后后,就就会会有有稳稳定定的的激光输出。这就是激光输出。这就是半导体激光器的的基本原理半导体激光器的的基本原理。发光波长发光波长 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体光
13、源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙半导体材料的带隙Eg,以电子伏特(,以电子伏特(eV)表示的)表示的带隙带隙Eg发射波长为发射波长为 例如,对于例如,对于GaAs,Eg=1.42eV,用它制作的,用它制作的LED的发射波长就为的发射波长就为=0.87m。不同的半导体材。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度,可以发料、不同的材料成分有不同的禁带宽度,可以发射不同波长的光。射不同波长的光。4)直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体 根根据据能能带带结结构构的的能能量量与与波波矢矢量量关关系系(如如下下图图所所示示),半半导导体体材材料料可可以以分分为为光光电电性
14、性质质完完全全不不同同的的两两类类,即即直接带隙材料直接带隙材料和和间接带隙材料间接带隙材料。在在直直接接带带隙隙材材料料中中,导导带带中中的的最最低低能能量量状状态态与与价价带带中中的的最最高高能能量量状状态态具具有有相相同同的的波波矢矢量量,即即位位于于动量空间中的同一点上。动量空间中的同一点上。在在间间接接带带隙隙材材料料中中,导导带带中中的的最最低低能能量量状状态态与与价价带带中中的的最最高高能能量量状状态态处处在在不不同同的的波波矢矢量量位位置置上上,即具有不同的动量。即具有不同的动量。图3.1.4 直接带隙半导体(a)与间接带隙半导体(b)的能量-动量图 能带结构的这种差别使得这两
15、类半导体材料的光能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光电性质具有非常大的差异。电性质具有非常大的差异。在在直接带隙材料直接带隙材料中,电子在价带和导带之间跃迁中,电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件,因此具有较大的跃迁几率。符合动量守恒条件,因此具有较大的跃迁几率。在在间接带隙材料间接带隙材料中,电子在价带和导带之间跃迁中,电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件,光子与电子的相互作用需要在不符合动量守恒条件,光子与电子的相互作用需要在声子声子的作用下才能完成,因此跃迁几率非常低。的作用下才能完成,因此跃迁几率非常低。所以所以间接带隙材料发光效率比较低,不适合于制间接带隙材料发光效率
16、比较低,不适合于制作光源。作光源。目前广泛应用的半导体材料主要有:目前广泛应用的半导体材料主要有:(1)硅硅(Si)、锗锗(Ge)等等族族半半导导体体材材料料,属属于于间间接接带带隙隙材材料料,不不能能用用来来制制作作半半导导体体激激光光器器,主主要要用用于于集集成成电电路路和和光光电电检检测测器器的的制作。制作。(2)碲碲化化镉镉(GdTe)、碲碲化化锌锌(ZnTe)等等族族化化合合物物半半导导体体材材料料均均为为直直接接带带隙隙材材料料,主要用于可见光和红外光电子器件的制作。,主要用于可见光和红外光电子器件的制作。(3)砷砷化化镓镓(GaAs)、磷磷化化铟铟(InP)、砷砷磷磷化化铟铟镓镓
17、(InGaAsP)等等绝绝大大多多数数的的族族化化合合物物半半导导体体材材料料均均为为直直接接带带隙隙材材料料,主主要要用用于于集集成成电电路路和和光光纤纤通通信信用用半半导导体体发发光光二二极极管管、激光器、光电检测器的制作。激光器、光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长异质结异质结 上述发光原理的上述发光原理的PN结是由同一种半导体材料结是由同一种半导体材料构成的,构成的,P区、区、N区具有相同的带隙、接近相同的区具有相同的带隙、接近相同的折射率(掺杂后折射率稍有变化,但很小),这折射率(掺杂后折射率稍有变化,但很小),这种种PN结称为结称为同质结同质结。在同质结中,光发射在结的
18、两边都可以发生,在同质结中,光发射在结的两边都可以发生,因此,发光不集中,强度低,需要较大的注入电因此,发光不集中,强度低,需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重,必须在低温环境流。器件工作时发热非常严重,必须在低温环境下工作,不可能在室温下连续工作。下工作,不可能在室温下连续工作。为了克服同质结的缺点,需要加强结区的光为了克服同质结的缺点,需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用,这时可以采用波导作用及对载流子的限定作用,这时可以采用异质结结构异质结结构。所所谓谓异异质质结结,就就是是由由带带隙隙及及折折射射率率都都不不同同的的两两种半导体材料构成的种半导体材料构成的PN结。结。异异
19、质质结结可可分分为为单单异异质质结结(SH)和和双双异异质质结结(DH)。)。异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制,利用不同带隙的材料对载流子进行限制。限制,利用不同带隙的材料对载流子进行限制。二、半导体发光二极管二、半导体发光二极管(LED)nLight Emitting Dioden结构结构:面发光、边发光面发光、边发光n工作特性工作特性:光谱特性、光谱特性、P-I特性、发光效率、调制特特性、发光效率、调制特性等性等发光二极管的结构发光二极管的结构n实际中多采用异质结实际中多采用异质结n根据发光面与根据发光面与PN结的结的结平面平行或垂直结平
20、面平行或垂直可分为面发光二极管(可分为面发光二极管(SLEDSLED)和边发光)和边发光二极管(二极管(ELEDELED)两种结构)两种结构 面发光二极管(面发光二极管(SLEDSLED)边发光二极管(边发光二极管(ELEDELED)工作特性工作特性n光谱特性光谱特性nP-I特性特性n发光效率发光效率n调制特性调制特性光谱特性光谱特性n自发辐射发光,没有谐振腔,发光谱自发辐射发光,没有谐振腔,发光谱线较宽线较宽 n半最大值处的全宽度(半最大值处的全宽度(FWHM)DlDl=1.8kT(l l2/ch)nm n线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加n随着温度的升高线宽加
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- 光纤通信 系统 光源 发射机
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