第4章光源和光发射机电子通信专业优秀课件
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《光源与光发送机》PPT课件
1. 孤立原子的能级
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。电子 既绕原子核旋转（动能），又作自旋运动（位能）， 动能和位能之和称为内能。
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9
1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由 不连续能级表征的一系列状态（定态），对于每一种 运动状态来说，都具有一定的内能（位能和动能之 和）。 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动 的特定轨道，这些特定的轨道称为能级。电子通过与 外界交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态。
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7
6、聚光性好
要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能 多地把光送过光纤，即耦合效率高，这样进入光结 的功率大，系统中继距离就可增加。
7、调制方便
调制是把话音等信息附载在光波上，如何高效 地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。
8、价格低廉，体积小，应用方便
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8
5.1 半导体光源的物理基础
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23
粒子数反转分布状态
在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级 上电子数。在单位时间内，从高能级跃迁到低能级 上的粒子数，总是少于从低能级跃迁到高能级上的 粒子数，因此，这时受激吸收大于受激辐射，也就 是说，在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大 作用。因而必须到非平衡体系中去找。
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25
2.
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通 过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收 物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通 过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活 物质。
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。电子 既绕原子核旋转（动能），又作自旋运动（位能）， 动能和位能之和称为内能。
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1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由 不连续能级表征的一系列状态（定态），对于每一种 运动状态来说，都具有一定的内能（位能和动能之 和）。 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动 的特定轨道，这些特定的轨道称为能级。电子通过与 外界交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态。
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7
6、聚光性好
要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能 多地把光送过光纤，即耦合效率高，这样进入光结 的功率大，系统中继距离就可增加。
7、调制方便
调制是把话音等信息附载在光波上，如何高效 地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。
8、价格低廉，体积小，应用方便
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8
5.1 半导体光源的物理基础
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23
粒子数反转分布状态
在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级 上电子数。在单位时间内，从高能级跃迁到低能级 上的粒子数，总是少于从低能级跃迁到高能级上的 粒子数，因此，这时受激吸收大于受激辐射，也就 是说，在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大 作用。因而必须到非平衡体系中去找。
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2.
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通 过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收 物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通 过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活 物质。
光纤通信教案课件-第四章 光源与光发射机s上课新版 精品推荐
4.1 半导体光源的物理基础
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带 4.1.2 光与物质的相互作用 4.1.3 粒子数反转分布状态
4.2 4.3 4.4 4.5
光源的工作原理 光源的工作特性 光发送机 驱动电路与辅助电路
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个 电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量 子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道 运行时相应的能量值称为能级。
h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳· 秒
E E2 h E1
对于大量电子，自发辐射光具有不同的相位， 偏振方向，传播方向------非相干光。 半导体发光二极管是自发辐射发光器件。
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
□受激辐射 当处于高能级E2的电子，在受到光子能量 恰好为E＝hv＝E2－E1的外来入射光的照射 时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低 能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同 频率、相同相位和相同传播方向的光子，这 种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受 激辐射 hv=E2-E1 发射光子和感应光子的频率，相位，偏振方 向，传播方向相同。------相干光（全同光）。 半导体激光器是受激辐射的发光器件。
E E2 h E1
h h
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
E
□受激吸收 E1上的电子吸收光子跃迁到E2上， 感应光子能量
E2
h E1
h =E2-E1
在外来光子激励下，电子吸收外 来光子能量，从低能级跃迁到高能级， 变成自由电子。
第4章光源和光发射机
多纵模 ( 多频 ) 激光器
❖ 谐振腔长度 L 比波长大很多 2Ln m
F-P腔内的纵模数量
m 2Ln
自由光谱区 FSR f c
2nL
相应的波长间隔
f
（
c
）
c
2
2
c
f
2
c
c 2nL
2
2nL
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
(a) 反射波干涉
m 1
m2
相1
对
强
m6
度
I
驻波
(b) 只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在
第4章 光源和光发射机
内容要求
4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机
光纤通信对光源的要求
❖ 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; ❖ 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段
❖ 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通 信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。
Stimulated Emission and Photon Amplification
❖ Laser= Light Amplification by Stimulated Emission or Radiation, ❖ 3 features of stimulated emission :
光纤
LD 电阻 芯片
+
A 热电致冷
❖ 安装在热电致冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构 成了电阻桥的一臂。热电致冷器采用珀尔帖效应产生致冷， 它的致冷效果与施加的电流成线性关系。
光纤通信课件第4章光源及光发射机2
面发光二极管
为提高面发光LED与光纤的耦合效率： 在井中放置一个截球透镜； 或者将光纤末端形成球透镜。
边发光二极管
载流子注入
50~70 mm 100~150 mm
30º 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
边发光二极管
边发光二极管，也采用双异质结结构。 利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极 （约40~50μm），从而限定了有源区的宽度；同时，增加光波导 层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光 面，以提高与光纤的耦合效率。其有源区一端镀高反射膜，另一 端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约 为30°，具有比面发光二极管高的输出耦LED的谱线特性
发光二极管的输出谱线特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
对光发射机性能要求
光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入 光纤中传输。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
光发射机性能要求
对光发送机的要求： （1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称
入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～ 5mW。
发光二极管结构
在光纤通信系统中，发光二极管可以用同质结制造， 也可以用异质结制造，只不过在实际中多采用异质结结构。
LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光 振荡，所以没有阈值。
第4章光源和光发射机电子通信专业
第4章光源和光发射机电子通信专业
第四章 光源和光发射机
在光纤通信中，将电信号转变为光信号是 由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源： LED(Light Emission Diode) LD (Laser Diode)
第4章光源和光发射机电子通信专业
第四章 光源和光发射机
4.1 光源 4.2 光发射机
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
•1. 半导体导电性
•无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加 电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.
•外电场方向不 影响导电性.
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
•导带: •由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚
成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是 能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•电子 •空穴
•激发 •复合
•--导带底能级
•--价带顶能级
•--禁带宽度,能隙
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•1. 能带 •在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的
能态扩展成能级连续分布的能带。
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•价带: •与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束
缚于价带中,价带以上的能带是空的.
•Donor level
第4章光源和光发射机电子通信专业.pptx
Ec Eg
Ev
ED
Ef EA
本征
N型
P型
T≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:
f (E)
1
1 exp
E Ef kBT
T
0,
f
(E)
Байду номын сангаас
0, E 1, E
Ef Ef
1/ 2, E E f T 0, f (E) 1/ 2, E E f
1/ 2, E E f
4.1 光源
Ec Eg
Ev
本征
ED
Donor level
N型
T 0K
acceptor level EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
3. 费米(Fermi)能级Ef
T=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空 缺的能级的界限.
Ec Eg
Ev
本征
ED Ef
N型
EA P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
光纤通信
第四章 光源和光发射机
Optical Sources and Optical Transmitter
张树东
zhangsd2@
光信息科学与技术 曲阜师范大学物理工程学院
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
4.1 光源 4.2 光发射机
主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性 和主要电路！
4.1 光源
第四章 光源和光发射机
半导体激光器：向半导体PN结注入电流，实现粒 子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔 的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。
激射条件： 1.有源区里要产生足够的粒子数反转分布。 2.存在光学谐振机制，并在有源区里建立起 稳定的振荡。
一．半导体激光器的工作原理
1．受激辐射和粒子数反转分布 2．PN结的能带和电子分布 3．激光振荡和光学谐振腔
4．1．3发光二极管（LED）
4．2 光源的调制
4．3光发送机
4．3．1数字光发射机的基本组成
4．3．2 调制电路
4．3．3 控制电路
4．3．4 线路编码
4．1
号转换为光信号。
光源
光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信
发光波长选择光在光纤中传播的三个低损耗
波 长 区 域 ， 即 对 应 的 三 个 窗 口 ：0 . 8 5 μm 、 1.31μm和1.55μm以利用光纤传输。
电/光转换效率高，与光纤的耦合效率高。
发光足够强，并能长时间稳定工作。 调制速率或响应速度要快。
常用的光源：
法布里-珀罗腔激光器 （F-P腔激光器) 半导体激光器（LD） 分布反馈激光器 （DFB激光器） 量子阱半导体激光器
发光二极管（LED）
4．1．1半导体激光器
激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation------------受 激辐射的光放大。
式中，rth为 阈 值增益系数，α 为谐振腔内激活物 质的损耗系数，L为谐振腔长度，R1 ，R2 <1为两 个反射镜的反射率。
激光器是一个阈值器件，只有注入电流达到 阈值以后，谐振腔中的增益才能克服损耗，激光 器才开始激射。
光纤通信系统光源与光发射机课件
01
02
光源与光发射机
用于将电信号转换为光信号，是 光纤通信系统的核心部件。
03
04
光接收机
用于将接收到的光信号转换为电 信号，以便进一步处理。
光纤通信系统的优点
传输距离远
光纤传输损耗低，可以实现长距离的光信号 传输。
带宽高
光纤不受电磁干扰的影响，传输质量稳定可 靠。
抗干扰能力强
光纤的传输带宽较高，可以实现高速数据传 输。
光发射机在科研、教育等领域 用于高速数据传输和远程实验 观测，促进科技进步。
光发射机的发展趋势
1 高速率
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
2 长距离
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
3 集成化
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
调制器将信息信号加载到 光信号上，实现信息的传 输。
驱动器控制调制器
驱动器为调制器提供必要 的控制信号，确保调制过 程稳定可靠。
光发射机的组成
光源模块
包括激光二极管、驱动 电路等，负责产生光信
号。
调制器模块
将信息信号加载到光信 号定的 直流电源，确保其正常
液体激光器
利用液体作为工作物质，常见的有 染料激光器、有机溶液激光器等。
激光器的性能参数
波长
稳定性
激光器的输出波长是衡量其性能的重 要参数，不同的应用需要不同波长的 激光器。
激光器的稳定性对其输出光的质量和 使用寿命具有重要影响，稳定的激光 器能够保证信号传输的可靠性。
功率
激光器的输出功率决定了其能够应用 的范围和效果，高功率激光器能够实 现更远距离的传输和更好的信号质量 。
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4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
3. 外加正向电场的PN结
图解1: 外接电源
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: 接通电源, 内电场被削弱,耗尽层变窄
外加正向电场的PN结
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 能带发生移动, 产生激活区
激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的 “源”!
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
2. PN结 P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.
P区 N区 I1
P区 N区 I2
正向
I1>> I2
反向
外电场方向不同, 导电性大不相同.
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
PN结形成图解:
图解1: P,N半导体接触前
4.1 光源
则
ni=2.62*106cm-3
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
2. N型和P型半导体
向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb), 导带中的电子浓 度增加,电子为多数载流子. 电子-负电荷-Negative-N型
向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In), 价带中的空穴浓 度增加,空穴为多数载流子. 空穴-正电荷-Positive-P型
第4章光源和光发射机电子通信 专业
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
第四章 光源和光发射机
Ec
Eg Ev
本征
ED
Donor level
N型
T0K
acceptor level
EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
3. 费米(Fermi)能级Ef
T=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空 缺的能级的界限.
Ec
Eg
Ev 本征
ED Ef
N型
EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
4. 同质结和异质结
P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结 P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结
n-GaAs p-GaAs
n-GaAs p-GaAs p+-GaAlAs
p+-GaAs
n+-GaAs n-GaAlAs p-GaAs p+-GaAlAs
p+-GaAs
同质结
单异质结
双异质结 (DH)
(DH: Double Heterostructure/Heterojunction)
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
典型的双异质结结构:
金属接触层 n-GaAs衬底层 n-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um) n-Ga1-yAlyAs复合区(~0.3um) p-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um) p-GaAs 金属接触改善层(~1um) 金属接触层
Ec
Eg Ev
本征
ED
Ef
N型
导带
EA
价带 P型
电子空穴密 度相等
导带中电子 密度大于价 带中的空穴
密度
价带中空穴 密度大于导 带中的电子
密度
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
准费米能级：
当体系由于外界作用(如光
照)而破坏热平衡状态时，
体系不存在统一的费米能
级，但费米能级分布对导
带和价带各自仍然适用---
Ec Eg
Ev
ED
Ef EA
本征
N型
P型
T≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:
f (E)
1
1exp
EEf kBT
T0, f(E)10,,E EE Eff
T 0, f (E) 1/12/,2,EEEEff 1/2,EEf
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
T0K 导带和价带中的载流子的密度不同
在光纤通信中，将电信号转变为光信号是 由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源： LED(Light Emission Diode) LD (Laser Diode)
第四章 光源和光发射机
4.1 光源 4.2 光发射机
主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性 和主要电路！
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论 4.1.2 PN结 同质结 异质结 4.1.3 发光二极管(LED) 4.1.4 激光二极管(LD)(半导体激光器) 4.1.5 若干半导体激光器简介 4.1.6 半导体光源一般性能和应用
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
电子 空穴
Ec
Eg Ev
激发 复合
T0K
T0K
E c --导带底能级 E v --价带顶能级
Hale Waihona Puke Eg Ec Ev--禁带宽度,能隙
Valence band Conduction band band gap
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
热平衡(T)下本征半导体载流子的浓度 E c
导带费米能级，价带费米
能级，即准费米能级。
fc(E2)
1
1exp E2kBTEfc
fv(E1)
1
1exp E1kBTEfv
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
1. 半导体导电性
无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加 电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.
外电场方向不 影响导电性.
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
1. 能带
在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的 能态扩展成能级连续分布的能带。
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
价带: 与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束
缚于价带中,价带以上的能带是空的.
导带:
由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚 成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是 能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: P,N半导体接触
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 载流子扩散
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解4: 内电场建立,扩散运动和漂移运动同在,能带发生倾斜
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解5: PN结形成后
npni Kexp2(E kBgT)
K 2 (2k B T /h 2 )3 /2 (m e m h )3 /4
Eg Ev
T0K
me , mh --为电子和空穴的有效质量
例: GaAs本征半导体, T=300K, Eg=1.42eV m=9.11*10-31kg me=0.068m ;mh=0.56m