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5第三章(1)光源

发布时间:2014-01-02 14:38:30  

第三章 光源与光发送机(1)

问题的提出

光纤通信系统中利用什么来携带信息?

光纤通信系统中需要什么样的光源?

本节内容

光纤通信对光源的要求 半导体光源的物理基础 发光二极管LED 激光二极管LD

光纤通信系统对光源的要求

?合适的发光波长; ?体积小,重量轻; ?足够的输出功率; ?输出效率高; ?光谱宽度窄; ?聚光性好; ?温度特性好; ?调制方便; ?可靠性高、寿命长;?价格低廉。

半导体光源的物理基础

?光子与光波; ?原子的内能与能级; ?普朗克公式; ?光的吸收与辐射; ?半导体光源。

光的辐射和吸收

爱因斯坦的量子理论指出:光 与物质相互作用时将发生自发辐 射、受激辐射和受激吸收。

受激吸收

在正常情况下,系统处在低能级上。 h ν = E1 - E2的入射光子被吸收,原子 将由低能级E1向高能级E2跃迁,这一 过程称为受激吸收。

自发辐射

由于位于高能级E2的原子是不稳 定的,将自发地向低能级跃迁,并释 放出能量为h ν = E1 - E2的光子,这 种辐射称为自发辐射。各个处于高能 级的粒子都是自发的、独立地进行跃 迁,其辐射光子的频率不同,所以自 发辐射的频率范围很宽。自发辐射产 生非相干光。

受激辐射

若原子原来处于高能级E2上, 被能量为hv的光子激发,将向E1 能级跃迁,并产生能量为hv的光 子。两者同频,同相,同偏振, 为相干光。这一辐射过程称为受 激辐射。

粒子数反转
受激吸收正比于E1能级的粒子数 N1,受激辐射正比于E2能级的粒子数 N2。 热平衡态下,N1?N2,受激吸收大 于受激辐射,不能产生受激辐射光放 大。 为了使物质以受激辐射为主,必 热平衡时,处 须打破上述平衡,使N2?N1,即造成 于 高 能 级 的 原 子 粒子反转。

数总是低于处于 低能级 的原子数。

半导体光源 光纤通信中使用的光源均为半导体光源。 半导体材料与其他材料(金属与绝缘体)不 同,它具有能带结构而不是能级结构。半导 体材料的能带分为导带、价带与禁带。电子 从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价 带,会释放光子而发光。半导体光源是由P 型半导体材料和N型半导体材料制成,在两 种材料的交界处形成了PN结。若在其两端 加上正向偏置电压,则N区中的电子与P区 中的空穴会流向PN结区并复合,复合时释 放出能量等于禁带宽度的光子。

半导体光源中心辐射波长
中心辐射波长由有源层的禁带宽度Eg决定: Eg= E2-E1=hν=hc/λ λ=hc/Eg=1.24/Eg(ev) (μm)

短波长半导体光源:GaAsAl Eg=1.424~1.549ev, 其发光波长在0.81~0.87μm范围内。 长波长半导体光源材料:InGaAsP Eg=0.75~1.24ev, 其发光波长在1.

0~1.65μm范围内。

发光二极管LED

发光二极管( LED)是低速、短距离光 波系统中常用的光源,结构简单,是由 GaAsAl类的P型材料和N型材料制成的一 个正向偏置的PN结,电子-空穴对在耗尽 区辐射复合发光,称为电致发光,属自发 辐射发光。它所发的光是非相干光,具有 较宽的谱宽(30-60nm)和较大的发射角 (100°)。

LED组成

半导体发光二极管是一个PN结,它 是利用外电源向PN结注入电子来发光 的。半导体发光二极管是由N型半导体 (掺杂微量Ⅴ族元素,如P、As 、Sb)形 成的N层和 P型半导体(掺杂微量Ⅲ族 元素,如Al、Ga、In)形成的P 层,以 及中间的由双异质结构成的有源层组 成。有源层是发光区,其厚度为0.1~ 0.2μm左右。

LED的发光机理 LED是外加正向电压工作的器件。在正 向偏压作用下,N区的电子将向正方向扩散, 进入有源层,P区的空穴也将向负方向扩散, 进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于 异质结势垒的作用,而被封闭在有源层内, 就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内 粒子数反转分布的电子,经跃迁与空穴复合 时,将产生自发辐射光。半导体发光二极管 无谐振腔。所以,所发出的光不是激光,而 是荧光。

面发光二极管SLED

边发光二极管

LED技术参数
辐射波长 谱宽 耦合功率 正向电流 上升/下降时间 类型 (μW) (nm) (nm) (mA) (ns) 有源层材料 AlGaAs GaAs GaAs InGaAsP ELED SLED ELED SLED 850 850 850 1300 35~65 40 35 110 10~80 80~140 10~32 10~50 60~100 100 100 100 2/2~6.5/6.5 6.5/6.5 3/3

InGaAsP ELED
InGaAsP ELED

1300
1550

25

10~150

30~100

1.5/2.5

40~70 1000~7500 200~500 0.4/0.4~12/12

LED的特点及应用

?优点:线性度好;温度特性好;工 作电流小;使用简单、价格低、工 作寿命长。 ?缺点: 谱线较宽;与光纤的耦合效 率低。 ?应用:小容量、短距离的数字光纤 通信或线性度要求较高的模拟光纤 通信。

半导体激光二极管(LD)
半导体激光器即为激光二极管,其结构通常 由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。半导 体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。处于 粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入 射光子激励时,会同步发射光子,受激辐射的光 子和入射光子不仅波长相同,而且相位、方向也 相同。这样由弱的入射光激励而得到了强的发射 光,起到了光放大作用。

光学谐振腔
反射面 Pf Ef 2 激光输出 Pi Ei 1

反射面
激光输出 腔体轴线

R2

L

R1

如果谐振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件, 那么谐振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不 断激发出净受激辐射,由净受激辐射产生的光子加入 到传播方向平行于共振腔的激发光行列中,这

一过程 使产生净受激跃迁的光场越来越强。

半导体激光器产生激光的条件

LD的结构
电流

金属接触层

P型 N型 有源层
300μm

大面积激光器

解理面

LD的光谱特性

LD的优点

?发光谱线窄:仅有1~5nm,有 的甚至小于1nm。 ?波长和尺寸与光纤尺寸适配, 与光纤的耦合效率高; ?尺寸小; ?响应速度快; ?可直接调制,相干性好。

实用LD的外形

LD的缺点

?温度特性较差; ?线性度较差; ?工作寿命较短。

使用半导体激光器的注意事项

?激光器必须有保护电路,以防止电流过冲。

?电气设备在开关机时会产生很高的电压 (电流)浪涌,很容易造成激光器损伤和 失效。 ?在各种场合下应防止激光器的静电击穿。 ?在满足工作的要求前提下,应尽量低功率 输出工作。


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