1、第三章 光源與光發(fā)送機(1)問題的提出光纖通信系統中利用什么來攜帶信息?光纖通信系統中需要什么樣的光源?2022/7/262XXXXXXXXX課程名稱 激光二極管LD 發(fā)光二極管LED 半導體光源的物理基礎 光纖通信對光源的要求本節(jié)內容2022/7/263XXXXXXXXX課程名稱光纖通信系統對光源的要求 合適的發(fā)光波長；足夠的輸出功率；光譜寬度窄；溫度特性好；可靠性高、壽命長；體積小，重量輕；輸出效率高；聚光性好；調制方便；價格低廉。 2022/7/264XXXXXXXXX課程名稱半導體光源的物理基礎光子與光波；原子的內能與能級；普朗克公式；光的吸收與輻射；半導體光源。2022/7/265X

2、XXXXXXXX課程名稱光的輻射和吸收愛因斯坦的量子理論指出：光與物質相互作用時將發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。2022/7/266XXXXXXXXX課程名稱在正常情況下，系統處在低能級上。 h = E1 - E2的入射光子被吸收，原子將由低能級E1向高能級E2躍遷，這一過程稱為受激吸收。受激吸收2022/7/267XXXXXXXXX課程名稱由于位于高能級E2的原子是不穩(wěn)定的，將自發(fā)地向低能級躍遷，并釋放出能量為h = E1 - E2的光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。各個處于高能級的粒子都是自發(fā)的、獨立地進行躍遷，其輻射光子的頻率不同，所以自發(fā)輻射的頻率范圍很寬。自發(fā)輻射產生非相干光。自發(fā)輻射

3、2022/7/268XXXXXXXXX課程名稱若原子原來處于高能級E2上，被能量為hv的光子激發(fā)，將向E1能級躍遷，并產生能量為hv的光子。兩者同頻，同相，同偏振，為相干光。這一輻射過程稱為受激輻射。受激輻射2022/7/269XXXXXXXXX課程名稱粒子數反轉受激吸收正比于E1能級的粒子數N1，受激輻射正比于E2能級的粒子數N2。熱平衡態(tài)下，N1N2，受激吸收大于受激輻射，不能產生受激輻射光放大。為了使物質以受激輻射為主，必須打破上述平衡，使N2N1，即造成粒子反轉。 熱平衡時,處于高能級的原子數總是低于處于低能級 的原子數。2022/7/2610XXXXXXXXX課程名稱半導體光源光纖通

4、信中使用的光源均為半導體光源。半導體材料與其他材料（金屬與絕緣體）不同，它具有能帶結構而不是能級結構。半導體材料的能帶分為導帶、價帶與禁帶。電子從高能級范圍的導帶躍遷到低能級范圍的價帶，會釋放光子而發(fā)光。半導體光源是由P型半導體材料和N型半導體材料制成，在兩種材料的交界處形成了PN結。若在其兩端加上正向偏置電壓，則N區(qū)中的電子與P區(qū)中的空穴會流向PN結區(qū)并復合，復合時釋放出能量等于禁帶寬度的光子。2022/7/2611XXXXXXXXX課程名稱半導體光源中心輻射波長中心輻射波長由有源層的禁帶寬度Eg決定： Eg= E2E1=h=hc/ =hc/Eg=1.24/Eg(ev) (m)短波長半導體光

5、源：GaAsAl Eg=1.4241.549ev， 其發(fā)光波長在0.810.87m范圍內。長波長半導體光源材料：InGaAsP Eg=0.751.24ev， 其發(fā)光波長在1.01.65m范圍內。 2022/7/2612XXXXXXXXX課程名稱發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管( LED)是低速、短距離光波系統中常用的光源，結構簡單，是由GaAsAl類的P型材料和N型材料制成的一個正向偏置的PN結，電子-空穴對在耗盡區(qū)輻射復合發(fā)光，稱為電致發(fā)光，屬自發(fā)輻射發(fā)光。它所發(fā)的光是非相干光，具有較寬的譜寬(30-60nm)和較大的發(fā)射角(100)。2022/7/2613XXXXXXXXX課程名稱LED組成半導

6、體發(fā)光二極管是一個PN結，它是利用外電源向PN結注入電子來發(fā)光的。半導體發(fā)光二極管是由N型半導體(摻雜微量族元素，如P、As 、Sb)形成的N層和 P型半導體(摻雜微量族元素，如Al、Ga、In)形成的P 層，以及中間的由雙異質結構成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū)，其厚度為0.10.2m左右。 2022/7/2614XXXXXXXXX課程名稱LED的發(fā)光機理LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也將向負方向擴散，進入有源層。進入有源層的電子和空穴由于異質結勢壘的作用，而被封閉在有源層內，就形成了粒子數反轉分布。這些在有源層內粒子數反轉分

7、布的電子，經躍遷與空穴復合時，將產生自發(fā)輻射光。半導體發(fā)光二極管無諧振腔。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。2022/7/2615XXXXXXXXX課程名稱面發(fā)光二極管SLED2022/7/2616XXXXXXXXX課程名稱邊發(fā)光二極管2022/7/2617XXXXXXXXX課程名稱LED技術參數有源層材料類型輻射波長（nm）譜寬（nm）耦合功率(W)正向電流（mA）上升/下降時間（ns）AlGaAsELED85035651080601002/26.5/6.5GaAsSLED8504080140100-GaAsELED8503510321006.5/6.5InGaAsPSLED1300110

8、10501003/3InGaAsPELED13002510150301001.5/2.5InGaAsPELED15504070100075002005000.4/0.412/122022/7/2618XXXXXXXXX課程名稱LED的特點及應用 優(yōu)點：線性度好；溫度特性好；工作電流小；使用簡單、價格低、工作壽命長。缺點： 譜線較寬；與光纖的耦合效率低。應用：小容量、短距離的數字光纖通信或線性度要求較高的模擬光纖通信。2022/7/2619XXXXXXXXX課程名稱半導體激光二極管(LD)半導體激光器即為激光二極管，其結構通常由P層、N層和形成雙異質結的有源層構成。半導體激光器的發(fā)光是利用光的受

9、激輻射原理。處于粒子數反轉分布狀態(tài)的大多數電子在受到外來入射光子激勵時，會同步發(fā)射光子，受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同，而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵而得到了強的發(fā)射光，起到了光放大作用。 2022/7/2620XXXXXXXXX課程名稱光學諧振腔 LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出 如果諧振腔內的激光材料已達到粒子數反轉條件，那么諧振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產生凈受激躍遷的光場越來越強。2022/7/2621XXXXXXXXX課程名稱半導體激光器產生激光的條件 2022/7/2622XXXXXXXXX課程名稱LD的結構N型解理面有源層金屬接觸層P型100m100m300m大面積激光器電流2022/7/2623XXXXXXXXX課程名稱LD的光譜特性2022/7/2624XXXXXXXXX課程名稱LD的優(yōu)點發(fā)光譜線窄：僅有15nm，有的甚至小于1nm。波長和尺寸與光纖尺寸適配，與光纖的耦合效率高；尺寸小；響應速度快；可直接調制，相干性好。2022/7/2625XXXXXXXXX課程名稱實用LD的外形2022/7/2626XXXXXXXXX課程名稱LD的缺點溫度特性較差；線性度較差；工作壽命較短。2022/7