第四章光通信之光源

第四章光源主要内容光源种类半导体的发光原理半导体激光器LD发光二级管LED1光源光源是光发射机的关键器件，其功能：把电信号电流转换为光信号功率，即实现电/光转换。对光源的要求＊光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符合＊足够的光输出功率＊可靠性高、寿命长＊温度稳定性好＊调制特性好＊光谱宽度要窄＊与光纤之间的耦合效率要高＊几何形状和重量＊价格光源的种类光源主要有半导体光源：激光二极管（LD）和发光二级管LED还有非半导体光源：固体激光器和气体激光器2半导体的发光原理●利用PN结：P型和N型半导体材料相接触形成●在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成粒子数反转。电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。低能态电子多，密度为N1高能态电子少，密度为N2■

N1>N2:

●在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射相干光。■

N2>N1：●受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。●这种分布和正常状态的分布相反，成为粒子数发转。发光（光放大）←N2>N1←粒子数反转

■光发射：处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量hv等于导带价带能量差，即hv=Ec-Ev=Eg

■发光过程：●自发发射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子≯光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系—非相干光；

≯

LED通过自发发射过程发光。●受激辐射：处于高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光子一样的光子，跃迁到低能态；≯光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同—相干光；≯

LD通过受激辐射过程发光。

■光吸收：处于低能态光子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁到高能态；■光吸收过程：●受激吸收：如果入射光子的能量hv近似等于E2-E1，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态；≯半导体光检测器基于这种效应。■自发发射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时存在的。3半导体激光器LD※PN结外加正向偏压后的能带分布※激光的产生PN结空间电荷区的形成

●

PN结形成后，由于互相间的扩散作用，使得靠近界面的地方，N区剩下带正电的离子，P区剩下带负电的离子，在结区形成空间电荷区，也因此出现了一个由N指向P的电场，称为内建电场，此时处于热平衡状态，只有一个费米能级。●空间电荷区及其内建电场分布图如下：PN结外加正向偏压后的能带分布●给PN结外加正向偏压后，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结，破坏了原来的热平衡状态，在PN结出现了两个费米能级，此时的PN结能带分布如图：激光的产生●激光产生的条件：一是，光的放大，要求有粒子数反转分布并具有正反馈谐振腔；二是，满足阈值条件，即光功率增益大于衰减●从能带分布图得出，N区电子多处于高能级，P区电子少处于低能级，即在外加正偏压后，在PN结区出现高能级粒子多，低能级粒子少得分布状况，这即是粒子数反转分布状态。●因此出现受激辐射大于受激吸收情况，产生了光放大，并在光学谐振腔内来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。常见的一种激光器结构和能带另一种激光器结构●优点：减小了注入电流，增强了发光强度半导体激光器的P-I曲线当I<Ith时，激光器发出辐射光。当I>Ith时，激光器发出受激辐射光。4发光二极管LED区别于LD：≯发光原理相同≯所以材料相同≯结构有所不同

LD

谐振腔产生受激辐射发激光

LED无谐振腔产生自发辐射发荧光●表面发光二极管和边发光二极管●目前在数字光纤通信中常用边发光二极管●优点：光的方向性好，与光纤的耦合效率高，电光转换效率比表面发光二级管高LED的P-I特性●没有阈值电流，几乎成线性分布LED特性＊光谱