光源和光发送机.pptx
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1、1在在光光纤纤通通信信系系统统中中,光光发发送送机机的的作作用用是是将将由由数数字字复复用用设设备备来来的的电电信信号号转转换换成成相相应应的的光光信信号号,并并将将光光信信号号耦耦合合进进光光纤纤后后进进行行传传输输。光光发发送送机机的的核核心心部部件件是是光光源源。目目前前,光光纤纤通通信信系系统统均均采采用用半半导导体体激激光光二二极极管管(LD)和和发发光光二二极极管管(LED)作作为为光光源源。这这类类光光源源的的特特点点是是体体积积小小,与与光光纤纤之之间间的的耦耦合合效效率率高高,响响应应速速度度快,可以在较高速率条件下进行直接强度调制。快,可以在较高速率条件下进行直接强度调制。
2、本本章章着着重重介介绍绍半半导导体体激激光光二二极极管管和和发发光光二二极极管管的的工作原理和特性,以及光发送机的工作原理。工作原理和特性,以及光发送机的工作原理。第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机2第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管3.2 光源调制光源调制3.3 光发送机光发送机31.激光的产生及其物理基础激光的产生及其物理基础自自然然界界中中的的一一切切物物质质都都是是由由原原子子组组成成。不不同同物物质质的的原原子子各各不不相相同同。原原子子由由一一个个带带正正电电荷荷的的原原子子核核和和若若干干个个带带负负电电荷荷
3、的的电电子子组组成成。围围绕绕原原子子核核作作轨轨道道运运动动的的电电子子的的运运动动轨轨道道不不是是连连续续可可变变的的,电电子子只只能能沿沿着着某某些些可可能能的的轨轨道道绕绕核核运运转转,而而不不能能具具有有任任意意的的轨轨道道。但但可可以以在在外外界界作作用用下下,从从一一个轨道跳到另一个轨道,这种过程称为个轨道跳到另一个轨道,这种过程称为跃迁跃迁。由由于于电电子子轨轨道道与与轨轨道道之之间间是是不不连连续续的的,并并且且每每一一轨轨道道具具有有确确定定的的能能量量。它它的的能能量量也也是是不不连连续续的的,离离核核较较近近的的轨轨道道对对应应的的能能量量较较小小,离离核核较较远远的的
4、轨轨道道所所对对应应的的能能量量较较大大,原原子子的的这这一一内内部部能能量量值值称称为为原原子子的的一一个个能能级级。通通常常我我们们用用若干水平线来表示电子所处的状态,这就是所谓的能级图。若干水平线来表示电子所处的状态,这就是所谓的能级图。4图图3-1 能级图能级图5跃迁跃迁 如如果果原原子子中中的的两两个个能能级级满满足足一一定定的的条条件件,则则可可能能出出现现下述情况:下述情况:一一个个处处于于高高能能级级E2的的电电子子子子,发发射射一一个个能能量量为为EhfE2E1的光子,结果这个电子回到低能级的光子,结果这个电子回到低能级E1。一一个个处处于于低低能能级级E1的的电电子子,从从
5、外外界界吸吸收收一一个个能能量量为为Ehf=E2E1的光子,结果这个电子被激发到高能级的光子,结果这个电子被激发到高能级E2。这这种种电电子子由由于于发发射射或或吸吸收收光光子子而而从从一一个个能能级级改改变变到到另另一一个个能能级级称称为为辐辐射射跃跃迁迁。但但原原子子发发射射或或吸吸收收光光子子,只只能能出出现在某些特定的能级之间。现在某些特定的能级之间。6受激吸收和受激辐射受激吸收和受激辐射当当处处于于低低能能级级E1的的电电子子,受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时,电电子子吸吸收收一一个个这这种种光光子子,而跃迁到高能级而跃迁
6、到高能级E2,这称为光的,这称为光的受激吸收受激吸收,如图,如图3-2(a)所示。所示。当当处处于于高高能能级级E2的的电电子子,在在受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时,电电子子在在入入射射光光子子的的刺刺激激下下,跃跃迁迁回回到到低低能能级级E1,而而且且辐辐射射出出一一个个与与入入射射光光子子有有相相同同频频率率、相相同同相相位位和和相相同同传传播播方方向向的的光光子子,这这种种类类型型的的跃迁称为受激跃迁,其辐射称为跃迁称为受激跃迁,其辐射称为受激辐射受激辐射。7图图3-2 光的受激吸收和辐射光的受激吸收和辐射8粒子数反转分布粒
7、子数反转分布在在通通常常情情况况下下,处处于于高高能能级级的的粒粒子子数数总总是是远远少少于于处处于于低能级上的粒子数,这种状态称为低能级上的粒子数,这种状态称为粒子数的正常分布粒子数的正常分布。由由于于低低能能级级上上的的电电子子数数较较多多,所所以以总总是是光光的的受受激激吸吸收收占占优优势势,也也就就是是光光总总要要受受到到衰衰减减。要要获获得得光光的的放放大大,必必须须设设法法使使光光的的受受激激辐辐射射占占优优势势。也也就就是是要要使使电电子子在在能能级级上上的的分分布布一一反反常常态态,使使处处于于高高能能级级上上的的电电子子数数目目远远多多于于低低能能级级的的电电子子数数目目,这
8、这可可以以给给予予额额外外的的能能量量,把把处处于于低低能能级级的的电电子子激激发发到到高高能能级级上上去去。这这种种处处于于高高能能级级的的电电子子数数量量多多于于低低能级电子数量的分布叫做能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布粒子数反转分布”。9粒子数反转分布必要条件:多能级物质粒子数反转分布必要条件:多能级物质用用hf31E3E1的的外外界界激激励励去去激激发发激激光光物物质质时时,处处在在低低能能级级E1上上的的电电子子被被激激发发到到了了高高能能级级E3上上,但但因因在在E3能能级级上上寿寿命命很很短短,很很快快跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态级级E2上上,结结果果在在E2与与E1之之间间形
9、形成成“粒粒子子数数反反转转分分布布”。这这种种处处于于E2亚亚稳稳能能级级上上的的电电子子是是不不稳稳定定的的,它它可可以以自自发发跃跃迁迁到到低低能能级级E1而而辐辐射射出出频频率率为为f21E2 E1h的光子。的光子。10粒子数反转分布形成示意图粒子数反转分布形成示意图11激光的形成激光的形成有有了了“粒粒子子数数反反转转分分布布”的的条条件件,就就能能实实现现光光的的放放大大,又又如如何何使使光光的的放放大大转转为为光光的的振振荡荡,成成为激光光源呢?为激光光源呢?把把激激光光物物质质放放置置在在由由两两个个反反射射镜镜组组成成的的光光谐谐振振腔腔之之间间,利利用用两两个个面面对对面面
10、的的反反射射镜镜来来实实现现光光的的反反馈馈放放大大,使使其其产产生生振振荡荡。光光谐谐振振腔腔的的轴轴线线与与激激光光物物质质的的轴轴线线相相合合。其其中中一一个个反反射射镜镜(M1)要要求求有有100%的的反反射射率率,另另一一个个(M2)要要有有95左左右右的的反反射射率,即允许有部分的光透射。率,即允许有部分的光透射。12图图3-3 激光的形成激光的形成13形成激光的三个必要条件形成激光的三个必要条件激激 光光 LASER是是 受受 激激 辐辐 射射 的的 光光 放放 大大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
11、的的缩缩写。用来产生激光的装置,就叫做激光器。写。用来产生激光的装置,就叫做激光器。由由此此可可见见,任任何何一一种种激激光光器器,都都必必须须包包括括下下列列三三个个最最基本的部分:基本的部分:o 工作物质工作物质激光器的组成核心,也就是发光物质。激光器的组成核心,也就是发光物质。o 光学共振腔光学共振腔形成激光振荡,输出激光。形成激光振荡,输出激光。o 激激励励系系统统将将各各种种形形式式的的外外界界能能量量转转换换成成激激光光光光能能,通常是激光器的电源。通常是激光器的电源。142.半导体激光器的基本原理半导体激光器的基本原理 用用半半导导体体材材料料做做激激光光物物质质的的激激光光器器
12、,称称为为半半导导体体激激光光器器。能能够够产产生生受受激激辐辐射射的的半半导导体体材材料料有有许许多多,而而当当前前在在光光纤纤通通信信方方面面用用得得较较多多的的是是砷砷化化镓(镓(GaAs)半导体激光器。)半导体激光器。半半导导体体材材料料是是一一种种单单晶晶体体。在在晶晶体体中中,原原子子是是紧紧密密地地按按照照一一定定规规则则排排列列。各各原原子子最最外外层层的的轨轨道道互互相相重重迭迭,使使半半导导体体材材料料的的能能级级已已不不像像前前述述的的单个原子那样的分立的能级,而变成了单个原子那样的分立的能级,而变成了能带能带。15补充知识:泡利不相容原理补充知识:泡利不相容原理泡泡利利
13、不不相相容容原原理理:每每个个能能级级只只允允许许两两个个自自旋旋相反的电子占有相反的电子占有。根根据据泡泡利利不不相相容容原原理理,固固体体材材料料中中电电子子的的基基态态能能级级和和激激发发态态能能级级将将分分裂裂成成能能带带。对对半半导导体体,基基态态能能级级分分裂裂成成价价带带,激激发发态态能能级级分分裂裂成成导导带带。价价带带和和导导带带之之间间存存在在一一个个电电子子不不能能具具有有的的能能量量区区间,称为间,称为禁带禁带。16图图3-5 半导体能带图半导体能带图17半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理半半导导体体激激光光器器的的核核心心部部分分是是一一个个PN结结。这这个个P
14、N结结是是高高度度掺掺杂杂的的,P型型半半导导体体中中空空穴穴极极多多,N型型半半导导体体中中自由电子极多。自由电子极多。半半导导体体中中的的载载流流子子是是由由导带电子和价带空穴产生的。导带电子和价带空穴产生的。导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴18图图3-6 高掺杂的高掺杂的PN结结19势垒的形成势垒的形成高高掺掺杂杂的的PN结结中中,N区区的的电电子子向向P区区扩扩散散,在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带正正电电的的离离子子。P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散,在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带负负电电的的离离子子。因因此此在在P型型和和N型型半半导导体体交交
15、界界的的两两侧侧形形成成了了带带相相反反电电荷荷的的区区域域,称称为为“空空间间电电荷荷区区”。在在P型型和和N型型半半导导体体交交界界的的两两侧侧形形成成了了一一个个电电场场叫叫“自自建建场场”。方方向向由由N区区指指向向P区区。与与此此相相应应,在在结结的的两两边边产产生生一一个个电电位位差差VD叫叫做做势势垒垒,它它阻阻碍碍空空穴穴和和电电子子进进一一步步扩扩散散,最后达到平衡。最后达到平衡。由由于于势势垒垒VD的的存存在在,使使得得P区区的的能能级级比比N区区提提高高了了eVD(e是是电电子子能能量量)。由由于于高高度度掺掺杂杂,空空间间电电荷荷区区的的正正负负电电荷荷很很多多,势势垒
16、垒VD很很大大,以以使使N型型半半导导体体的的导导带带的的底底部部能能级级(EC)N。比比P型半导体价带顶部能级型半导体价带顶部能级(EV)P还要低。还要低。20费米能级费米能级能能级级越越低低,电电子子占占据据的的可可能能性性就就越越大大,理理论论分分析析指指出出:存存在在着着某某一一能能级级EF,叫叫做做费费米米能能级级。对对于于EF以以下下的的所所有有能能级级,例例如如在在N区区导导带带中中EF和和(EC)N之之间间各各能能级级电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。对对于于EF以以上上的的所所有有能能级级,则则在在P区区价价带带中中,EF和和(EV)P之之间间各各能能级级电电子子
17、占占据据的的可可能能性性小小于于12。总总的的来来说说,N区区导导带带底底(EC)N以以上上到到费费米米能能级级EF之之间间这这个个区区域域内内的的电电子子数数多多于于P区区价价带带顶以下到费米能级顶以下到费米能级EF以上区域内的电子数。以上区域内的电子数。21图图3-7 外加正向电压时的外加正向电压时的PN结结22图图3-7 外加正向电压时的外加正向电压时的PN结结23正向电压减小和抵消势垒作用正向电压减小和抵消势垒作用当当外外加加正正向向电电压压时时,这这个个电电压压抵抵消消了了一一部部分分势势垒垒,使使势势垒垒降降低低。所所加加的的正正向向电电压压破破坏坏了了原原来来的的平平衡衡,使使费
18、费米米能能级级分分离离。在在N区区(EF)N以以下下各各能能级级,电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。在在P区区对对于于(EF)P以以上上的的各各能能级级,空空穴穴占占据据的的可可能能性性大大于于12,因因此此,当当 PN结结上上加加足足够够的的正正向向电电压压,保保证证电电流流足足够够放放大大时时,P区区的的空空穴穴和和N区区中中的的电电子子大大量量地地注注入入结结区区,在在PN结结的的空空间间电电荷荷区区附附近近就就存存在在一一个个电电子子反反转转分分布布的的区区域域,这这个个区区域域叫叫做做“有有源源区区”或或“作作用用区区”。在在有有源源区区内内,由由于于电电子子数数反反转转
19、分分布布,在在自自发发辐辐射射的的激激发发下下,产产生生的的受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收。一一个个光光子子会会不不断断激激发发出出更更多多完完全全相相同同的的光子,起了光放大作用。光子,起了光放大作用。24阈值(阈值(threshold value)只只有有足足够够大大的的正正向向电电压压,保保证证电电流流足足够够大大时时,才才能能产产生激光。生激光。当当电电流流较较小小时时,注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴也也较较少少,辐辐射射小小于于吸吸收收,增增益益系系数数G0,只只能能出出现现普普通通的的荧荧光光。电电流流逐逐渐渐加加大大,注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴增
20、增多多,到到了了G0,就就出出现现光放大现象。这时发射很亮的荧光。光放大现象。这时发射很亮的荧光。如如果果增增益益不不足足以以克克服服谐谐振振腔腔的的损损耗耗,仍仍不不能能在在腔腔内内产产生生振振荡荡。只只有有当当注注入入的的电电流流增增大大到到增增益益足足以以补补偿偿损损耗耗时时,才才能能产产生生谱谱线线尖尖锐锐、模模式式明明确确的的振振荡荡。刚刚开开始始产产生生激激光光的的电流称为激光器的电流称为激光器的阈值电流阈值电流。25图图3-8 注入电流与光功率的关系注入电流与光功率的关系26异质结半导体激光器异质结半导体激光器 上上面面分分析析的的半半导导体体激激光光器器,P区区和和N区区是是同
21、同一一种种物物质质砷砷化化镓镓(GaAs),故故称称为为同同质质结结半半导导体体激激光光器器,其其阈阈值值电电流流密密度度Jth很很大大(室室温温下下Jth5104Acm-2),难难以以在室温条件下连续工作。在室温条件下连续工作。为为了了提提高高激激光光器器的的功功率率和和效效率率,降降低低阈阈值值电电流流,使使用用了了异异质质结结的的半半导导体体激激光光器器。所所谓谓“异异质质结结”,就就是是由由两两种种材材料料(例例如如砷砷化化镓镓 GaAs 和和砷砷镓镓铝铝 GaAlAs 两两种种材材料料)构构成成的的PN结结。采采用用异异质质结结结结构构后后,Jth可可降降至至约约 103Acm-2
22、量级。量级。273.半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性(1)阈值)阈值(2)激光器效率)激光器效率(3)温度特性)温度特性(4)纵模特性光谱特性)纵模特性光谱特性28(1)阈值)阈值半半导导体体激激光光器器是是一一个个阈阈值值器器件件,它它的的工工作作状状态态随随注注入入电电流流的的不不同同而而不不同同。当当外外加加激激励励的的能能源源功功率率(一一般般为为电电能能源源)超超过过某某一一临临界界值值时时,激激光光物物质质中中的的粒粒子子数数反反转转达达到到了了一一定定程程度度,激激光光器器才才能能克克服服光光谐谐振振腔腔内内的的损损耗耗而而产产生生激激光光。此临界值就称为激光器的阈值
23、。此临界值就称为激光器的阈值。激激光光器器的的阈阈值值主主要要是是指指阈阈值值电电流流Ith。当当注注入入电电流流大大于于Ith时时,激激光光器器激激发发出出激激光光。在在实实际际使使用用中中,外外加加激激励励能能源源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。对对激激光光器器而而言言,希希望望其其阈阈值值电电流流越越小小越越好好,因因为为阈阈值值电流小,要求的外加激励能源就小,激光器本身发热就少。电流小,要求的外加激励能源就小,激光器本身发热就少。29(2)激光器效率)激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效
24、率的高低。功功率率转转换换效效率率定定义义为为:输输出出光光功功率率与与消消耗耗的的电电功功率率之之比比,表示式为:表示式为:式中:式中:Pex激光器发射的光功率激光器发射的光功率Vj激光器的结电压(激光器的结电压(PN结正向电压)结正向电压)Rs激光器的串联电阻(包括半导体材料电阻和接触电阻)激光器的串联电阻(包括半导体材料电阻和接触电阻)I注入电流注入电流量子效率定义为:输出光子数与注入电子数之比,表示为量子效率定义为:输出光子数与注入电子数之比,表示为 30(3)温度特性)温度特性半半导导体体激激光光器器的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率和和发发光光波波长长随随温温度度而变化的特
25、性称为温度特性。而变化的特性称为温度特性。阈阈值值电电流流随随温温度度的的升升高高而而加加大大。这这是是因因为为温温度度上上升升使使异异质质结结势势垒垒的的载载流流子子限限制制作作用用下下降降,因因此此激激光光器器的的阈阈值值电电流流增增大大。阈值电流与温度的变化关系可以表示为:阈值电流与温度的变化关系可以表示为:(3-4)式式中中:T为为器器件件的的绝绝对对温温度度,I0为为常常数数,T0为为激激光光器器材材料料的的特特征征温温度度。对对于于GaAs-GaAlAs半半导导体体激激光光器器,T0100150K,InGaAsP-InP激激光光器器T04070K。T0越越大大,器器件件的的温温度度
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