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1、光源与光发送机,5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路,光源的重要性！,光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光通信系统所需要的光载波，其特性的好坏直接影响光纤通信系统的性能。如果没有光载波，所有的信息就不能传输。,系统需要什么样的光源？,1、合适的发光波长,光源的发光波长应符合目前光纤通信的三个低损耗窗口（0.85，1.31，1.55微米），也就是说光源的发光波长应与光纤的工作窗口相一致。目前光通信系统中作为第一窗口的0.85微米已基本不用，1.31微米的第二窗口正在大量应用，并且光纤通信系统正在向
2、1.55微米的第三窗口转移。,2、足够的输出功率,光源的输出功率发须足够大，光源输出功率大小影响光通信系统的中继距离。光的的输出功率越大，系统的中继距离就越长。但这个结论是有条件的，即如果光源的输出功率太大，使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统不允许的。当然，目前的问题不是光纤的功率太大，而是不够。因此，还应努力提高光源输入光纤的光功率，以增大中继距离。一般光源的输出功率大于1mw。,3、可靠性高，寿命长,光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均工作寿命为小时（约100年），一般不允许中断通信。设一个通信系统中有10个光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系统中断工作。从故
3、障的概率来说，该系统发生中断能信故障的时间间隔为10万小时（约10年），这是实用通信工程对元器件的要求。,4、输出效率高,输出光功率与所消耗的直流电功率的比值叫做输出功率。要求输出效率尽量高，即耗电尽量省，而且要在低压下工作。这样对无人中继站的供电就较为方便。目前输出效率的标准是大于10%，将来希望达到50%。,5、光源的谱线宽度窄,光谱宽度是光源发光波长范围。希望光波也能够和无线电波一样，只在一个频率振荡。实际上这很难做到，只能要求光谱尽量窄，光源的光谱宽度直接影响到系统的的传输带宽，它与光纤的色散效应相结合，就产生了噪声，影响通信系统的传输容量和中继距离。,6、聚光性好,要求光源发光尽量集
4、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,5.1 半导体光源的物理基础,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。,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
5、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。 不同的原子具不同的能级结构，一个原子中，最低的能级称为基态，其余的称为高能态（激发态）。,2.半导体的能带,在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。 在图5.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。,图5.2 半导体
6、的能带结构,光与物质的相互作用,爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表辐射理论，而这正是激光理论的核心基础，因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。这篇论文中，爱因斯坦区分三种过程，自发辐射、受激吸收、受激辐射。,自发辐射,处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。,这种辐射的特点是每个原子的跃迁的自发的，独立的，不需要外界的影响。因此根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：,式中：h为普朗克常数，其值为6.6
7、2610-34Js；f为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级量。 应用：LED,自发辐射的特点: 1）没有外界作用，属于自发跃迁； 2）原子存在一系列的能级，使得原子从高能级跃迁到低能级时的光子是多频率的，因而谱线较宽； 3）即使有些电子存在相同的能级差，它们发射光子的频率是相同的，但是它们自发辐射的相位、方向、偏振方向各不相同，是不相干光。 4）发射光子的频率决定于所跃迁的能级。,受激吸收,在外来光子激励下（外部光照射），电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。受激吸收过程必须在外来光子的激发下才会产生，外来光子的能量必须等于电子跃迁的能级之差，在受激过程中，没有多余
8、的能量放出来。 主要应用：光电检测器,受激辐射,在外来光子的激励下，处于高能级的原子在光子的“刺激下”，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射最大的特点是产生一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。这样通过一次受激辐射，一个光子变为两个完全相同的光子，这就意味着光被加强了，或者说光被放大了，光放大器就是基于这样的一个原理。 应用：激光器、光放大器,发光的条件：自发辐射/受激辐射占据优势 光电检测的条件：受激吸收占据优势；,激光是怎样产生的？,激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可
9、以刺激高能级的原子这生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。,如果在获得越来越强的光，也就是说越来越多的光子就必须使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点？光子对于高、低能级的原子是一视同仁的，在光子作用下，高能级产生受激辐射的机会和低能级产生受激吸收的机会是相同的，这样是否得到光放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远多于位于低能级的光子，就可得到高度放大的光。,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
10、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。,设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：,式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,如果N1N2，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N2N1，即受激辐射
11、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。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。,2. 粒子数反转分布状态,在非平衡体系中，位于高能级上的原子数目大于低能级上的原子数目，这种状态称为“粒子数反转”，如何才能达到“粒子数反转”，这需要利用激活媒介，所谓激活媒介（也称为放大介质），就可能使两个能级间呈现“粒子数反转”的物质，它可以是气体，固体和液体。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。,粒子数反转如何实现？,5.2 半导体光源的工作原理,所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半
12、导体中的价电子，产生同数量的空穴，从而改变了半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主。如果某一半导体的杂质总量中，受主杂质的数量占多数，则这半导体是p型半导体。如果在单晶硅上掺入三价硼原子，则硼原子与硅原子组成共价键。硼是三价元素，外层只有三个价电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要是空穴导电，所以叫做空穴半导体，简称p型半导体。,所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的五价
13、元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质。如果在某一半导体的杂质总量中，施主杂质的数量占多数，则这种半导体就是n型半导体。如果在硅单晶中掺入五价元素砷、磷。则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后，磷外层的五个电子中，四个电子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以这种半导体中，电子载流子的数目很多，主要是电子导电，叫做电子半导体，简称n型半导体。,PN结,在T0时，Ef为费米能级 若E=Ef ，则有P（E）=0.5；若EEf ，则有P（E）0.5；,费米统计分布,在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度（浓度不一样），因而产生扩散运动，
14、形成内部电场， 见图3.3(a)。内建电场的方向是由N区指向P区,内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止（平衡状态只有一个费米能级），结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。,在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。 获得粒子数反转的方法：在PN结上施加正
15、向电压。,2、谐振腔,粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。,1）、选频方法,设从A点出发的平面波，垂直投射到反射镜M1，由M1反射后又垂直投射向M2。再回到A点时，如果它们之间的相位差是 的整数倍，显然就达到了谐振。如果设L为谐振腔的长度，为谐振腔介质中光波的波长，则应有：,q=1，2，3，.,显然谐振
16、腔波长与光学谐振腔材料的折射率n有关，当q不同时，可有不同的波长，即有无穷多个谐振波长。但是在这些无限多个频率中，只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。 谱线中心：,2）阈值条件：光子的传播和反射等运动过程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向运动，会很快离开使光子总量减少。此外还有产生声子（晶格振动）的损耗。无论如何，激活物质产生的光增益应足以抵消所有的损耗，振荡才可能发生，这样将振荡开始出现净增益的条件称为阈值条件。阈值条件所需的电流称为阈值电流。,3、激光器构成,组成：激励源、工作物质、谐振腔 激励源：使工作物质形成粒子数反转； 工作物质：提供合适的能带结构，以便产生LD所需的发光波长； 谐振腔：反馈、选频,4、激光器的工作原理,外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因
