光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī).解析

1、第力章蕪農(nóng)射機(jī)鳥蕪樓收機(jī)第力章蕪安射機(jī)與蕪接收機(jī)101光源丄02光發(fā)射機(jī)103光電檢測(cè)器 104光接收機(jī)第力章蕪農(nóng)射機(jī)鳥蕪樓收機(jī)105光電集成器件與電路101光源光源的作用把要傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射去一、對(duì)光源的基本要求(1) 發(fā)射的光功率應(yīng)足夠大，而且穩(wěn)定度要高(2) 調(diào)制方法簡單(3) 光源發(fā)光峰值波長應(yīng)與光纖低損耗窗口相匹配(4) 光源與光纖之間應(yīng)有較高的耦合效率(5) 光源發(fā)光譜線寬度要窄，即單色性要好(6) 可靠性要高，必須保證系統(tǒng)能24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)(7) 光源應(yīng)該是低功率驅(qū)動(dòng)低電壓、低電流)，而且電光轉(zhuǎn) 換效率要高第力章蕪農(nóng)射機(jī)鳥蕪接收機(jī)能滿足上述基本要求的光源是半導(dǎo)體光源。最

2、常用的光源半導(dǎo)體激光器(LD)中、長距離 大容圜高碼速)系統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)o短距離、低容量系統(tǒng)模擬系統(tǒng)。J 第力章蕪農(nóng)射機(jī)與蕪接收機(jī)10.1.1激光二極管(LD)1.基本結(jié)構(gòu)激光輸出激光二極管的基木結(jié)構(gòu)框圖第力章蕪農(nóng)射機(jī)與蕪接收機(jī)2. LD的工作原理（1）半導(dǎo)體材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中的電子處于分立能級(jí)上，高能級(jí)稱為導(dǎo)帶，低能級(jí)稱為價(jià) 帶，高、低能級(jí)之間稱為禁帶。則禁帶寬度在熱平衡狀態(tài)下，價(jià)帶能級(jí)上的電子總數(shù)日遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶能級(jí)上的電子總數(shù) 目 Afc,即NVNCOa-=） 導(dǎo)帶禁帶半導(dǎo)體材料電子能級(jí)示意圖乂 第力章蕪茨射機(jī)號(hào)憲接收機(jī)丁羣事5甬菊斥屆字蔬百玉化 自發(fā)輻射發(fā)出的光子彼此

3、不相干（即傳播方向、相位和偏振不同），稱 為非相干光。 受激輻射發(fā)出的光子彼此相干（即其傳播方向、頻率、相位、偏振都與 外來光子相同），稱為相干光。激光二極管輸出的就是這種相干光。 受激吸收在外來入射光的作用下，處在低能級(jí)上的電子可以吸收入射光 子的能量而躍遷到高能級(jí)上。在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料中同時(shí)存在以上三 種物理過程，其中自發(fā)輻射的概率遠(yuǎn)大于受激輻射的概 率，并且受激輻射的概率與導(dǎo)帶上的電子總數(shù)弘成正 比，受激吸收的概率與價(jià)帶上的電子總數(shù)從成正比。 所以，若要受激輻射占有主導(dǎo)地位，就必須使導(dǎo)帶上的 電子總數(shù)弘遠(yuǎn)大于價(jià)帶上的電子總數(shù)飩，這稱為粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。第力章蕪農(nóng)射機(jī)鳥蕪接收機(jī)(3

4、) PN結(jié)的能帶和電子分布在熱平衡狀態(tài)下，能量為砒能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率遵循費(fèi)米(Fermi)分布，即P() l + expl(E-Ef)/A:Brj在通常室溫下，本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是大 多數(shù)電子占據(jù)低能級(jí)位置，沒有形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不能對(duì)光產(chǎn) 生放大作用。第力章蕪農(nóng)射機(jī)與憲接收機(jī)(4) 電激勵(lì)其作用足使半導(dǎo)體PN結(jié)產(chǎn)生一個(gè)增益區(qū)，使其中的導(dǎo)帶電子 數(shù)遠(yuǎn)大于價(jià)帶電子數(shù)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，成為光放大的媒質(zhì).(5) 光學(xué)諧振腔前、后鏡面之間夾有處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的PN結(jié)半導(dǎo)體材料， 構(gòu)成了光學(xué)諧振腔。其作用是使軸向(垂直于鏡面方向)運(yùn)動(dòng)的光子在腔內(nèi)來回多 次反射形成光振蕩，

5、并激勵(lì)已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體材料，不斷 地產(chǎn)生受激輻射，使放出的光子數(shù)目雪崩式地增加。第力章蕪農(nóng)射機(jī)鳥蕪接收機(jī)3. LD的類型結(jié)構(gòu)(1)同質(zhì)結(jié)LD由同一種半導(dǎo)體材料經(jīng)不同摻雜構(gòu)成單層PN結(jié)，稱為同質(zhì)結(jié)LDo例如：碑化傢(GaAs)同質(zhì)結(jié)LD。Ga A s同質(zhì)結(jié)LD結(jié)構(gòu)示意圖輸岀激光第力章蕪農(nóng)射機(jī)與憲接收機(jī)第力章老農(nóng)射機(jī)與蕪樓收機(jī)(2)異質(zhì)結(jié)LD由不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)摻雜構(gòu)成單層PN結(jié)或多層PN結(jié)。前者 稱為單異質(zhì)結(jié)LD,后者稱為多異質(zhì)結(jié)LD。例如：GaAlAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)LD,發(fā)光波長為0.85pm。InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)LD,發(fā)光波長為1.31pm或 1.55pm,損耗小。輸出

6、激光輸出激光異質(zhì)結(jié)LD結(jié)構(gòu)示童圖半導(dǎo)體光源的發(fā)光機(jī)理?xiàng)幇雽?dǎo)體發(fā)光器件是通過電子在能級(jí)之間的躍遷而發(fā)光的。在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部各個(gè)電子都占有所規(guī)定的能級(jí)。E=hf如果讓占據(jù)較高能級(jí)耳的電子躍遷到較低能級(jí)上，就會(huì) 以光的形式放出等于能級(jí)差的能量，這時(shí)能級(jí)差Q和光的振蕩 頻率/之間的關(guān)系為(10.1)式中，力為普朗克常數(shù)(A=6.626X10-34j.s)o半導(dǎo)體發(fā)光器件由適當(dāng)?shù)腜型材料和N型材料所構(gòu)成，兩種材 料的交界區(qū)形成PN結(jié)，如果在P-N結(jié)上加上正向電壓，則N型區(qū) 的電子及P型區(qū)的空穴源源不斷地流向P- N結(jié)區(qū)。在那里電子與 空穴自發(fā)地復(fù)合，復(fù)合時(shí)電子從高能級(jí)的導(dǎo)帶躍遷至低能級(jí)價(jià)帶 而

7、產(chǎn)生與躍遷所釋放的能量相等的光子。在這種情況下，各個(gè)光子在時(shí)間上及方向上都不相同，這種 光稱為白發(fā)光，該發(fā)光器件叫做發(fā)光管。其發(fā)光機(jī)理如圖10.1 所示。圖10發(fā)光機(jī)理示意圖(a)光的自發(fā)發(fā)射；(b)光的受激發(fā)射亠廠 第力章蕪農(nóng)射機(jī)與蕪接收機(jī)另一種光稱為激光，是利用諧振腔產(chǎn)生振蕩的原理而頑 的。在P-N結(jié)的兩端加工出兩個(gè)平行光潔的反射鏡面。此鏡面 垂直于P-N結(jié)的平而，和它的長度方向形成一個(gè)諧振腔。當(dāng)施 加正向電壓于P-N結(jié)時(shí)，PN結(jié)內(nèi)首先發(fā)岀自發(fā)光，其中部分光 子沿著與反射面垂直的方向前進(jìn)，這一部分光子受反射鏡面的 反射，在諧振腔內(nèi)來回反射。同時(shí)，激光腔內(nèi)的電子與空穴復(fù) 合，即激發(fā)電子從導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶而產(chǎn)生新的光子。部分新產(chǎn) 生的光子也同樣在諧振腔內(nèi)來