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第4章 光源(gungyun)和光发射机本章内容本章内容4.1 半导体的能带理论半导体的能带理论4.2 发光二极管发光二极管4.3 半导体激光器半导体激光器4.4 光调制光调制4.5 光发送机光发送机小结小结(xioji)、习题、习题 第1页/共42页第一页，共43页。4.1 4.1 半导体的能带理论(lln)(lln)1.半导体的能带半导体的主要特征是它们的内部(nib)原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带，如图4-1-2所示。 第2页/共42页第二页，共43页。 锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。 价带下面(xi mian)的能带是被电子占满了，称为满带。 价带上面的能带称为导带。 价带和导带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。第3页/共42页第三页，共43页。2.半导体PN结的形成(xngchng) 当一个P型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，就形成一个PN结。在结的交界面处，载流子的浓度差引起扩散运动(yndng)，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动(yndng)的结果形成了一个空间电荷区，如图4-1-4所示。第4页/共42页第四页，共43页。PNPN结具有(jyu)(jyu)单向导电性 当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以(suy)这股正向电流是大电流。 当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。第5页/共42页第五页，共43页。3.同质(tn zh)结和异质结 同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料 采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。 首先是对光波的限制不完善 另一方面的问题是对载流子的限制不完善 因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行(jnxng)改进。 第6页/共42页第六页，共43页。 为了(wi le)降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面改进。 双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。如图4-1-6所示。第7页/共42页第七页，共43页。4.4 发光二极管的工作(gngzu)原理 发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向(zhn xin)电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。 LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。第8页/共42页第八页，共43页。1. LED的结构和工作(gngzu)原理 LED的基本工作原理是光的自发辐射。图4-2-1所示为双异质结半导体发光二极管的结构。正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能(rnng)的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。 第9页/共42页第九页，共43页。 LED可分为(fn wi)面发光二极管和边发光二极管两大类。 1)面发光(f un)二极管第10页/共42页第十页，共43页。2）边发光(f un)二极管 边发光二极管结构示意图如图4-2-3所示，它为长波长1.31m双异质结InGaAsP/InP边发光型LED的结构。它的核心部分(b fen)是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来 第11页/共42页第十一页，共43页。LED有如下(rxi)工作特性：1) LED的光谱特性 它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。 LED的光谱特性如图4-2-4所示 第12页/共42页第十二页，共43页。2）LED的输出(shch)光功率特性 从图4-2-5中可见LED的P-I曲线线性范围(fnwi)较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围(fnwi)大，信号失真小 第13页/共42页第十三页，共43页。4.3 半导体激光器半导体激光器（LD）主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字(shz)光纤通信系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。第14页/共42页第十四页，共43页。1、光纤通信对半导体激光器的主要要求 半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点： （1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85m、1.31m或1.55m。（2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%50%。（5）能长时间连续(linx)工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。第15页/共42页第十五页，共43页。2 2、LDLD的工作原理的工作原理(yunl)(yunl)半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：粒子数反转分布粒子数反转分布光反馈光反馈激光振荡的阈值条件激光振荡的阈值条件第16页/共42页第十六页，共43页。3. 常用(chn yn)半导体激光器 1）法布里珀罗激光器 普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BH LD)，光学谐振腔为法布里珀罗腔(FP)，它可以分为两类，即增益(zngy)波导LD和折射率波导LD。第17页/共42页第十七页，共43页。（2）动态(dngti)单纵模半导体激光器 所谓(suwi)动态单纵模半导体激光器(SLM-LD)，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器DFB及耦合腔激光器 第18页/共42页第十八页，共43页。 分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用(zuyng)的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。第19页/共42页第十九页，共43页。 由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有(jyu)极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。 从图4-3-6的LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。第20页/共42页第二十页，共43页。（3）量子(lingz)阱激光器 为了进一步提高激光(jgung)发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在420nm，这种技术被称为量子阱激光(jgung)器。 量子激光(jgung)器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，以及发射更多可能波长光线的能力。 第21页/共42页第二十一页，共43页。4 激光器LD的工作(gngzu)特性 LD的工作特性可以用一些(yxi)特性曲线和特性参量来描述。 （1）P-I曲线第22页/共42页第二十二页，共43页。 2)光谱(gungp)特性 GaAs LD的光谱(gungp)特性曲线如图4-6-2所示。第23页/共42页第二十三页，共43页。3)3)温度特性（1 1）阈值电流 It It随温度的升高而加大，为了(wi le)(wi le)使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。(2) (2) 激光二级管的中心波长随温度升高而增加。第24页/共42页第二十四页，共43页。4）转换(zhunhun)效率 定义为激光器达到阈值(y zh)后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比 第25页/共42页第二十五页，共43页。4.4 光调制(tiozh) 实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，即需要进行光调制(tiozh)。根据调制(tiozh)与光源的关系，光调制(tiozh)可分为直接调制(tiozh)和间接调制(tiozh)两大类。从调制(tiozh)信号的形式来说，光源的调制(tiozh)又可分为模拟信号调制(tiozh)和数字信号调制(tiozh)。第26页/共42页第二十六页，共43页。1直接调制(tiozh)与间接调制(tiozh) 1）光源的直接调制(tiozh) 光源的直接调制(tiozh)又称为光源的内部调制(tiozh)，它是将调制(tiozh)信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。 2 ）光源的外部调制(tiozh) 光源的间接调制(tiozh)通常称为光源的外部调制(tiozh)，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制(tiozh)器对光进行调制(tiozh) 第27页/共42页第二十七页，共43页。2模拟信号与数字信号的直接(zhji)调制 模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、电视等信号)对光源(gungyun)进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。 数字信号调制是直接用数字信号对光源(gungyun)进行调制 第28页/共42页第二十八页，共43页。3 LD调制(tiozh)特性 (1) 电光延迟(ynch) (2) 张驰振荡 (3)码型效应 (4)小信号输入的频率响应 (5)大信号输入的频率响应第29页/共42页第二十九页，共43页。4.5光发送机 在光纤通信(un xin tn xn)系统中，光发送机是实现电光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。第30页/共42页第三十页，共43页。1光发送机的要求(yoqi) 1）有合适的输出光功率 2）良好的消光(xio un)比 3）调制特性要好 第31页/共42页第三十一页，共43页。2光发送机的组成(z chn) 光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动(q dn)电路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。第32页/共42页第三十二页，共43页。 直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用(shyng)的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图4-5-1所示。第33页/共42页第三十三页，共43页。 外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统(xtng)更具有优越性，有较好的发展前景，它的原理如图4-5-2所示。第34页/共42页第三十四页，共43页。3输入(shr)电路 输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路(xinl)传输码型的信号，原理框图见图4-5-3 第35页/共42页第三十五页，共43页。4调制(tiozh)电路 光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息(xnx)的数字电信号对光波进行调制使其载荷信息(xnx)。光源调制电路也称为驱动电路，不同光端机的驱动电路组成也不相同，最常见的是差分电流开关电路。 （1）共发射极LED驱动电路 常用的LED直接调制电路为共发射极LED驱动电路，如图4-5-4所示。 第36页/共42页第三十六页，共43页。 2）射极耦合跟随器LD驱动电路(dinl) 3）反馈稳定LD驱动电路(dinl) 4）集成激光驱动器第37页/共42页第三十七页，共43页。5光源(gungyun)与光纤的耦合 激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接(zhji)耦合和透镜耦合。 （1）直接(zhji)耦合 这种耦合方法通常只适用于多模光纤。 第38页/共42页第三十八页，共43页。2）透镜(tujng)耦合 边发光LED和LD一般可以采用(ciyng)用圆柱透镜或采用(ciyng)大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，如图4-5-9所示。第39页/共42页第三十九页，共43页。 单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合困难(kn nn)更大。有时可用一种简单有效的耦合结构，如图4-5-10所示。 第40页/共42页第四十页，共43页。6激光器组件和光发射(fsh)模块 在一个相对紧密的结构( jigu)中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构( jigu)的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。 根据用途不同，模块的种类也越来越多，除了光发射模块外还有光接收模块、光发射接收模块等。第41页/共42页第四十一页，共43页。感谢您的欣赏(xnshng)！第42页/共42页第四十二页，共43页。NoImage内容(nirng)总结第4章 光源和光发射机。同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料。正向电压V提供的外加能量(nngling)激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量(nngling)。与普通二极管以热能的方式释放能量(nngling)不同，LED将大部分产生的能量(nngling)以可见光的方式释放出来。（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85m、1.31m或1.55m。LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述第四十三页，共43页。