第四章光通信之光源

第四章光源主要內(nèi)容光源種類半導體的發(fā)光原理半導體激光器LD發(fā)光二級管LED1光源光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，其功能：把電信號電流轉(zhuǎn)換為光信號功率，即實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。對光源的要求＊光源發(fā)光波長必須與光纖低損耗窗口相符合＊足夠的光輸出功率＊可靠性高、壽命長＊溫度穩(wěn)定性好＊調(diào)制特性好＊光譜寬度要窄＊與光纖之間的耦合效率要高＊幾何形狀和重量＊價格光源的種類光源主要有半導體光源：激光二極管（LD）和發(fā)光二級管LED還有非半導體光源：固體激光器和氣體激光器2半導體的發(fā)光原理●利用PN結(jié)：P型和N型半導體材料相接觸形成●在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電子再從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)產(chǎn)生光子而發(fā)光。低能態(tài)電子多，密度為N1高能態(tài)電子少，密度為N2■

N1>N2:

●在熱平衡狀態(tài)下，自發(fā)發(fā)射居支配地位，不能發(fā)射相干光?！?/p>

N2>N1：●受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，產(chǎn)生放大作用?！襁@種分布和正常狀態(tài)的分布相反，成為粒子數(shù)發(fā)轉(zhuǎn)。發(fā)光（光放大）←N2>N1←粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

■光發(fā)射：處于高能態(tài)（導帶）電子不穩(wěn)定，向低能態(tài)（價帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發(fā)射光子的能量hv等于導帶價帶能量差，即hv=Ec-Ev=Eg

■發(fā)光過程：●自發(fā)發(fā)射：處于高能態(tài)的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為E2-E1的光子≯光子隨機地向各個方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位關(guān)系—非相干光；

≯

LED通過自發(fā)發(fā)射過程發(fā)光?！袷芗ぽ椛洌禾幱诟吣軕B(tài)的電子在外界光場的感應下，發(fā)射一個和感應光子一樣的光子，躍遷到低能態(tài)；≯光子的發(fā)射方向、相位、頻率都與激發(fā)它們的光子相同—相干光；≯

LD通過受激輻射過程發(fā)光。

■光吸收：處于低能態(tài)光子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態(tài)；■光吸收過程：●受激吸收：如果入射光子的能量hv近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)；≯半導體光檢測器基于這種效應?！鲎园l(fā)發(fā)射、受激輻射和受激吸收三種過程是同時存在的。3半導體激光器LD※PN結(jié)外加正向偏壓后的能帶分布※激光的產(chǎn)生PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成

●

PN結(jié)形成后，由于互相間的擴散作用，使得靠近界面的地方，N區(qū)剩下帶正電的離子，P區(qū)剩下帶負電的離子，在結(jié)區(qū)形成空間電荷區(qū)，也因此出現(xiàn)了一個由N指向P的電場，稱為內(nèi)建電場，此時處于熱平衡狀態(tài)，只有一個費米能級?！窨臻g電荷區(qū)及其內(nèi)建電場分布圖如下：PN結(jié)外加正向偏壓后的能帶分布●給PN結(jié)外加正向偏壓后，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子不斷地注入PN結(jié)，破壞了原來的熱平衡狀態(tài)，在PN結(jié)出現(xiàn)了兩個費米能級，此時的PN結(jié)能帶分布如圖：激光的產(chǎn)生●激光產(chǎn)生的條件：一是，光的放大，要求有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布并具有正反饋諧振腔；二是，滿足閾值條件，即光功率增益大于衰減●從能帶分布圖得出，N區(qū)電子多處于高能級，P區(qū)電子少處于低能級，即在外加正偏壓后，在PN結(jié)區(qū)出現(xiàn)高能級粒子多，低能級粒子少得分布狀況，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)?！褚虼顺霈F(xiàn)受激輻射大于受激吸收情況，產(chǎn)生了光放大，并在光學諧振腔內(nèi)來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。常見的一種激光器結(jié)構(gòu)和能帶另一種激光器結(jié)構(gòu)●優(yōu)點：減小了注入電流，增強了發(fā)光強度半導體激光器的P-I曲線當I<Ith時，激光器發(fā)出輻射光。當I>Ith時，激光器發(fā)出受激輻射光。4發(fā)光二極管LED區(qū)別于LD：≯發(fā)光原理相同≯所以材料相同≯結(jié)構(gòu)有所不同

LD

諧振腔產(chǎn)生受激輻射發(fā)激光

LED無諧振腔產(chǎn)生自發(fā)輻射發(fā)熒光●表面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管●目前在數(shù)字光纖通信中常用邊發(fā)光二極管●優(yōu)點：光的方向性好，與光纖的耦合效率高，電光轉(zhuǎn)換效率比表面發(fā)光二級管高LED的P-I特性●沒有閾值電流，幾乎成線性分布LED特性＊光譜