《光源與光發(fā)送機(jī)》PPT課件

1、光源和光發(fā)射器，5.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)5.2半導(dǎo)體光源的工作原理5.3光源的工作特性5.4光發(fā)射器5.5驅(qū)動電路和輔助電路，光源的重要性！光源是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，它產(chǎn)生光通信系統(tǒng)所需的光載波，其特性直接影響光纖通信系統(tǒng)的性能。如果沒有光載體，所有的信息都無法傳輸。系統(tǒng)需要什么樣的光源？1.合適的發(fā)射波長：光源的發(fā)射波長應(yīng)滿足目前光纖通信的三個低損耗窗口(0.85、1.31、1.55微米)，即光源的發(fā)射波長應(yīng)與光纖的工作窗口一致。目前，0.85微米作為光通信系統(tǒng)的第一窗口已經(jīng)基本使用，1.31微米的第二窗口正在被廣泛使用，光纖通信系統(tǒng)正在向1.55微米的第三窗口轉(zhuǎn)移。2.在有足夠輸出功

2、率的情況下，光源的輸出功率必須足夠大，并且光源的輸出功率影響光通信系統(tǒng)的中繼距離。光的輸出功率越大，系統(tǒng)的中繼距離就越長。但是這個結(jié)論是有條件的，即如果光源的輸出功率太大而不能使光纖工作在非線性狀態(tài)，這是光纖通信系統(tǒng)所不允許的。當(dāng)然，目前的問題不是光纖的功率太高，而是它不夠。因此，還應(yīng)該努力增加光源的光功率輸入，以增加中繼距離。光源的輸出功率一般大于1mw。3.可靠性高，壽命長，光源壽命長，通訊可靠。目前，通信工程要求光源的平均工作壽命為小時(約100年)，一般不允許通信中斷。假設(shè)在一個通信系統(tǒng)中有10個光源。如果其中一個光源出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將停止工作。從失效概率來看，系統(tǒng)中斷到可靠性失效的

3、時間間隔為10萬小時(約10年)，這是實際通信工程對元器件的要求。輸出效率很高，輸出光功率與消耗的DC功率之比稱為輸出功率。要求輸出效率盡可能高，即功耗盡可能低，并且應(yīng)該在低電壓下工作。因此，向無人值守中繼站供電更加方便。目前，產(chǎn)出效率標(biāo)準(zhǔn)大于10%，未來有望達(dá)到50%。5.光源的譜線寬度較窄，光譜寬度是光源的發(fā)光波長范圍。人們希望光波像無線電波一樣只能以一種頻率振蕩。事實上，做到這一點非常困難，只有光譜應(yīng)該盡可能窄。光源的光譜寬度直接影響系統(tǒng)的傳輸帶寬。當(dāng)它與光纖的色散效應(yīng)結(jié)合時，會產(chǎn)生噪聲，影響通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。6、良好的聚焦，要求光源盡可能集中，匯聚到一個點，并通過光纖發(fā)出盡

4、可能多的光，即耦合效率高，使得進(jìn)入光學(xué)結(jié)的功率大，系統(tǒng)的中繼距離可以增加。7.調(diào)制很方便。調(diào)制是將聲音等信息附加到光波上。如何用電信號有效地調(diào)制光波是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。8.價格低廉，體積小，使用方便；5.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)；1.由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成的孤立原子的能級。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能取任意值，而只能取特定的離散值。這種現(xiàn)象被稱為電子能量的量子化。電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)(動能)和旋轉(zhuǎn)(勢能)。動能和勢能的總和叫做內(nèi)能。1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾提出，原子只能處于以不連續(xù)能級(穩(wěn)態(tài))為特征的一系列狀態(tài)中，每個運動狀態(tài)都有一定的內(nèi)能(勢能和動能之和)在圖5.2中，半導(dǎo)體中由自

5、由運動電子(簡稱自由電子)填充的能帶稱為導(dǎo)帶；由價電子填充的能帶稱為價帶；導(dǎo)帶和價帶之間不允許有電子填充，所以稱之為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。圖5.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)以及光和物質(zhì)之間的相互作用。愛因斯坦在玻爾工作的基礎(chǔ)上于1916年發(fā)表了輻射理論，這是激光理論的核心基礎(chǔ)，因此愛因斯坦被認(rèn)為是激光理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區(qū)分了三個過程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。自發(fā)輻射，高能級的電子態(tài)是不穩(wěn)定的，它會自發(fā)地從高能級(這是半導(dǎo)體晶體中導(dǎo)帶的能級)移動到低能級(這是半導(dǎo)體晶體中價帶的能級)，與空穴復(fù)合，同時釋放光子。因為不需要外部激勵，這個過程被稱為自

6、發(fā)輻射。這種輻射的特點是每個原子的自發(fā)和獨立躍遷，不需要外部影響。因此，根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為：其中：h為普朗克常數(shù)，其值為6.62610-34Js；f是光子的頻率；E2是高能級的能量；E1是低能級。應(yīng)用：發(fā)光二極管，自發(fā)發(fā)射的特點： 1)沒有外部作用，屬于自發(fā)躍遷；2)原子中存在一系列能級，這使得光子在從高能級到低能級的躍遷中是多頻率的，因此譜線較寬；3)即使一些電子具有相同的能級差，并且它們以相同的頻率發(fā)射光子，但是它們的自發(fā)發(fā)射具有不同的相位、方向和偏振方向，這是非相干光。4)發(fā)射光子的頻率取決于躍遷能級。受激吸收，在外部光子(外部光照射)的激發(fā)下，電子吸收外部光子的能量

7、，從低能級躍遷到高能級，成為自由電子。受激吸收過程只能在外部光子的激發(fā)下產(chǎn)生，并且外部光子的能量必須等于電子躍遷的能級差，并且在受激過程中不釋放多余的能量。主要應(yīng)用：光電探測器，受激輻射，在外部光子的激發(fā)下，高能級原子在光子的“刺激”下躍遷到低能級，并輻射與入射光子頻率相同的光子。受激輻射的最大特點是它產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的頻率和相位。由于需要外部激發(fā)，這個過程被稱為受激輻射。這樣，通過一個受激輻射，一個光子變成兩個相同的光子，這意味著光被加強(qiáng)或放大。光放大器就是基于這樣一個原理。應(yīng)用：激光、光放大器、照明條件：自發(fā)輻射/受激輻射占主導(dǎo)地位；光電探測條件：受激吸收占主導(dǎo)地位；激光是如何

8、產(chǎn)生的？激光是如何產(chǎn)生的？在原子系統(tǒng)中，總有一些原子處于高能級，一些處于低能級。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子可以刺激高級原子產(chǎn)生受激輻射，也可以被低級原子吸收而產(chǎn)生受激吸收。因此，在光與原子系統(tǒng)的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。如果獲得越來越多的光，也就是說，受激輻射產(chǎn)生的光子一定比受激吸收吸收的光子多。我們該怎么做？光子對于高能級和低能級的原子是一樣的。在光子的作用下，高能級受激輻射的幾率與低能級受激吸收的幾率相同，因此光放大能否實現(xiàn)取決于高能級和低能級原子數(shù)的比值。如果高能級的原子比低能級的光子多得多，就可以獲得高度放大的光。在熱平衡狀態(tài)下，高能級的電子數(shù)少于低能級的電子數(shù)。

9、在單位時間內(nèi)，從高能級到低能級的粒子數(shù)總是小于從低能級到高能級的粒子數(shù)。因此，此時受激吸收大于受激輻射，也就是說，物質(zhì)在熱平衡條件下不能有光放大。因此，有必要在非平衡系統(tǒng)中找出。設(shè)置在一個單位物質(zhì)中，而處于低能級E1和高能級E2(E2E1)的原子數(shù)目分別是N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，有以下分布：其中k=1.38110-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)，t是熱力學(xué)溫度。因為(E2-E1)是0，T0，所以在這種狀態(tài)下它總是N1N2。這是因為電子總是首先占據(jù)低能軌道。如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光的強(qiáng)度呈指數(shù)衰減。這種物質(zhì)被稱為吸收物質(zhì)。如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收

10、，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，它會產(chǎn)生放大，這就是所謂的活性物質(zhì)。N2N1的分布與正常態(tài)(N1N2)的分布相反，因此稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2。在非平衡系統(tǒng)中，高能級原子的數(shù)量大于低能級原子的數(shù)量，這種態(tài)稱為布居反轉(zhuǎn)。我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)人口反轉(zhuǎn)？這需要使用活化介質(zhì)，即所謂的活化介質(zhì)(也稱為擴(kuò)增介質(zhì))，它可以使物質(zhì)在兩個能級之間具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這兩個能級可以是氣體、固體和液體。實現(xiàn)能級間粒子數(shù)反向分布的方法有很多，包括光激發(fā)法、電激發(fā)法等。如何實現(xiàn)粒子數(shù)的反演？5.2半導(dǎo)體光源的工作原理，即所謂的受體雜質(zhì)，是指摻雜的雜質(zhì)能夠接受半導(dǎo)體中的價電子并產(chǎn)生相同數(shù)量的空穴，從而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。例如，半導(dǎo)體鍺和

11、硅中的三價元素如硼、銦和鎵是受體。如果在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量中受體雜質(zhì)的數(shù)量占大多數(shù)，則該半導(dǎo)體是P型半導(dǎo)體。如果三價硼原子摻雜在單晶硅上，硼原子和硅原子形成共價鍵。硼是一種三價元素，它的外層只有三個價電子，所以當(dāng)它與硅原子形成共價鍵時，它自然會形成一個空穴。這樣，摻雜的硼雜質(zhì)的每個原子可以提供一個空穴，因此大大增加了硅單晶中空穴載流子的數(shù)量。在這種半導(dǎo)體中幾乎沒有自由電子，主要是空穴傳導(dǎo)，所以它被稱為空穴半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。所謂的施主雜質(zhì)意味著摻雜雜質(zhì)可以提供導(dǎo)電電子并改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。例如，半導(dǎo)體鍺和硅中的砷、銻和磷等五價元素的原子是施主雜質(zhì)。如果給體雜質(zhì)的數(shù)量在某一半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量

12、中占大多數(shù)，那么該半導(dǎo)體是一種氮型半導(dǎo)體。如果硅單晶摻雜有五價元素砷和磷。然后，硅原子、砷原子和磷原子形成共價鍵后，在磷外層的五個電子中，四個電子形成共價鍵，一個額外的電子很少被原子核束縛，所以很容易成為自由電子。因此，在這種半導(dǎo)體中有許多電子載流子，主要是電子傳導(dǎo)，稱為電子半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。在T0，Ef是費米能級。如果E=Ef，則p(E)=0.5；如果是EEf，p (e)為0.5；費米統(tǒng)計分布，在由P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)的界面上，由于多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度(不同濃度)，發(fā)生擴(kuò)散運動并形成內(nèi)部電場，如圖3.3(a)所示。內(nèi)置電場的方向從N區(qū)指向P區(qū)，內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散方向相

13、反的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，這兩個運動處于平衡狀態(tài)(平衡狀態(tài)下只有一個費米能級)，因此能帶傾斜，如圖3.3(b)所示。直流電壓施加到增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴。結(jié)果，獲得了種群反轉(zhuǎn)分布。在電子和空穴擴(kuò)散的過程中，導(dǎo)帶中的電子可以躍遷到價帶并與空穴結(jié)合產(chǎn)生自發(fā)輻射光。獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法是向PN結(jié)施加直流電壓。2。諧振腔，粒子數(shù)呈反比分布(必要條件)將活性物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，選擇光的頻率和方向=連續(xù)光學(xué)放大和激光振蕩輸出。基本光學(xué)諧振器由兩個反射率為R1和R2的平行反射鏡組成(如圖3.4所示)，稱為法布里-珀羅諧振器。因為共振腔中的活性物質(zhì)具有粒子數(shù)的反向分布，所以它可

14、以用作入射光。1)頻率選擇方法，假設(shè)點A的平面波垂直投射到M1鏡，被M1反射，然后垂直投射到M2。當(dāng)回到點A時，如果它們之間的相位差是的整數(shù)倍，顯然實現(xiàn)了諧振。如果l是諧振腔的長度和諧振腔介質(zhì)中光波的波長，它應(yīng)該是：q=1，2，3，顯然，諧振腔波長與光學(xué)諧振腔材料的折射率n有關(guān)。當(dāng)q不同時，可以有不同的波長，也就是說，有無限的共振波長。然而，在這些無限頻率中，只有那些靠近譜線中心的頻率才能滿足振蕩條件，所以激光器的振蕩頻率只能取有限數(shù)量的離散值。譜線中心：2)閾值條件：在光子傳播和反射過程中將消耗一些能量，光子將向不希望的方向移動，這將迅速離開并減少光子總數(shù)。此外，還有聲子的損失(晶格振動)。

15、在任何情況下，由活性物質(zhì)產(chǎn)生的光學(xué)增益應(yīng)該足以在振蕩發(fā)生之前抵消所有損耗，因此凈增益開始在振蕩中出現(xiàn)的條件稱為閾值條件。閾值條件所需的電流稱為閾值電流。3.激光組成：激發(fā)源、工作物質(zhì)和諧振腔激發(fā)源：使工作物質(zhì)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；工作物質(zhì)：提供合適的能帶結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生激光二極管所需的發(fā)光波長；諧振器：反饋，頻率選擇，4。激光器的工作原理，加上正向偏置，將氮區(qū)的電子和磷區(qū)的空穴注入PN結(jié)，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使它變成活性物質(zhì)(PN結(jié)是活性區(qū))。在有源區(qū)，電子-空穴對結(jié)合發(fā)光。初始光場來自導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，其方向是無序的，其中偏離軸向的光子很快從腔中逃逸出來，沿軸向運動的光子成為受激輻射的外部因素

16、，使它們產(chǎn)生受激輻射并發(fā)出相同的光子。這些光子被鏡子來回反射，并不斷穿過活性物質(zhì)，這使得受激輻射過程像雪崩一樣加劇，從而光被放大。重復(fù)這一過程，直到放大足以克服有源層和具有高反射率的界面的損耗，然后激光將輸出到具有高反射率的界面的外部。半導(dǎo)體激光器的類型結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中間有一層厚度為0 . 10 . 3 m的窄帶隙p型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)都有寬帶隙的p型和N型半導(dǎo)體稱為限制層。在襯底上放置三層半導(dǎo)體，用前后晶體解理面作為反射鏡形成法布里-珀羅諧振腔。因為限制層的帶隙比有源層的帶隙寬，所以在施加正向偏壓之后，P層中的空穴和N層中的電子被注入有源層。該層的帶隙較寬，導(dǎo)帶的能態(tài)高于有源層的能態(tài)，為注入的電子形成勢壘，注入有源層的電子不能擴(kuò)散到P層。類似地，注入有源層的空穴不能擴(kuò)散到氮層。這樣，注入有源層的電子和空穴是c雙異質(zhì)結(jié)：兩側(cè)由不同的材料制成，可以大大降低閾值電流，提高效率。1)技術(shù)成熟、性價比高的氟磷腔激光器；多縱模透射(反射面方向、垂直有源層方向、平行有源層方向)；發(fā)射波長分別為850納米和1310納米。通常用于短距離和中距離傳輸；輸出功率為幾兆瓦；譜線寬度為320納米；耦合效率高。2)單片布拉格激光器(DBR)，其中布拉格光柵用作反射器以獲得具有較窄譜線的激