第三章-光源和光发送机2011.ppt
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1、1在在光光纤纤通通信信系系统统中中,光光发发送送机机的的作作用用是是将将由由数数字字复复用用设设备备来来的的电电信信号号转转换换成成相相应应的的光光信信号号,并并将将光光信信号号耦耦合合进进光光纤纤后后进进行行传传输输。光光发发送送机机的的核核心心部部件件是是光光源源。目目前前,光光纤纤通通信信系系统统均均采采用用半半导导体体激激光光二二极极管管(LD)和和发发光光二二极极管管(LED)作作为为光光源源。这这类类光光源源的的特特点点是是体体积积小小,与与光光纤纤之之间间的的耦耦合合效效率率高高,响响应应速速度度快,可以在快,可以在较较高速率条件下高速率条件下进进行直接行直接强强度度调调制。制。
2、本本章章着着重重介介绍绍半半导导体体激激光光二二极极管管和和发发光光二二极极管管的的工作原理和特性,以及光工作原理和特性,以及光发发送机的工作原理。送机的工作原理。第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机2第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机3.1 半半导导体激光器和体激光器和发发光二极管光二极管3.2 光源光源调调制制3.3 光光发发送机送机31.激光的激光的产产生及其物理基生及其物理基础础自自然然界界中中的的一一切切物物质质都都是是由由原原子子组组成成。不不同同物物质质的的原原子子各各不不相相同同。原原子子由由一一个个带带正正电电荷荷的的原原子子核核和和若若干干个个带带负负电电荷荷
3、的的电电子子组组成成。围围绕绕原原子子核核作作轨轨道道运运动动的的电电子子的的运运动动轨轨道道不不是是连连续续可可变变的的,电电子子只只能能沿沿着着某某些些可可能能的的轨轨道道绕绕核核运运转转,而而不不能能具具有有任任意意的的轨轨道道。但但可可以以在在外外界界作作用用下下,从从一一个个轨轨道跳到另一个道跳到另一个轨轨道,道,这这种种过过程称程称为为跃跃迁迁。由由于于电电子子轨轨道道与与轨轨道道之之间间是是不不连连续续的的,并并且且每每一一轨轨道道具具有有确确定定的的能能量量。它它的的能能量量也也是是不不连连续续的的,离离核核较较近近的的轨轨道道对对应应的的能能量量较较小小,离离核核较较远远的的
4、轨轨道道所所对对应应的的能能量量较较大大,原原子子的的这这一一内内部部能能量量值值称称为为原原子子的的一一个个能能级级。通通常常我我们们用用若干水平若干水平线线来表示来表示电电子所子所处处的状的状态态,这这就是所就是所谓谓的能的能级图级图。4图图3-1 能能级图级图5跃跃迁迁 如如果果原原子子中中的的两两个个能能级级满满足足一一定定的的条条件件,则则可可能能出出现现下述情况:下述情况:一一个个处处于于高高能能级级E2的的电电子子子子,发发射射一一个个能能量量为为EhfE2E1的光子,的光子,结结果果这这个个电电子回到低能子回到低能级级E1。一一个个处处于于低低能能级级E1的的电电子子,从从外外
5、界界吸吸收收一一个个能能量量为为Ehf=E2E1的光子,的光子,结结果果这这个个电电子被激子被激发发到高能到高能级级E2。这这种种电电子子由由于于发发射射或或吸吸收收光光子子而而从从一一个个能能级级改改变变到到另另一一个个能能级级称称为为辐辐射射跃跃迁迁。但但原原子子发发射射或或吸吸收收光光子子,只只能能出出现现在某些特定的能在某些特定的能级级之之间间。6受激吸收和受激受激吸收和受激辐辐射射当当处处于于低低能能级级E1的的电电子子,受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时,电电子子吸吸收收一一个个这这种种光光子子,而而跃跃迁到高能迁到高能级
6、级E2,这这称称为为光的光的受激吸收受激吸收,如,如图图3-2(a)所示。所示。当当处处于于高高能能级级E2的的电电子子,在在受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时,电电子子在在入入射射光光子子的的刺刺激激下下,跃跃迁迁回回到到低低能能级级E1,而而且且辐辐射射出出一一个个与与入入射射光光子子有有相相同同频频率率、相相同同相相位位和和相相同同传传播播方方向向的的光光子子,这这种种类类型型的的跃跃迁称迁称为为受激受激跃跃迁,其迁,其辐辐射称射称为为受激受激辐辐射射。7图图3-2 光的受激吸收和光的受激吸收和辐辐射射8粒子数反粒子数反转转分布
7、分布在在通通常常情情况况下下,处处于于高高能能级级的的粒粒子子数数总总是是远远少少于于处处于于低能低能级级上的粒子数,上的粒子数,这这种状种状态态称称为为粒子数的正常分布粒子数的正常分布。由由于于低低能能级级上上的的电电子子数数较较多多,所所以以总总是是光光的的受受激激吸吸收收占占优优势势,也也就就是是光光总总要要受受到到衰衰减减。要要获获得得光光的的放放大大,必必须须设设法法使使光光的的受受激激辐辐射射占占优优势势。也也就就是是要要使使电电子子在在能能级级上上的的分分布布一一反反常常态态,使使处处于于高高能能级级上上的的电电子子数数目目远远多多于于低低能能级级的的电电子子数数目目,这这可可以
8、以给给予予额额外外的的能能量量,把把处处于于低低能能级级的的电电子子激激发发到到高高能能级级上上去去。这这种种处处于于高高能能级级的的电电子子数数量量多多于于低低能能级电级电子数量的分布叫做子数量的分布叫做“粒子数反粒子数反转转分布分布”。9粒子数反粒子数反转转分布必要条件:多能分布必要条件:多能级级物物质质用用hf31E3E1的的外外界界激激励励去去激激发发激激光光物物质质时时,处处在在低低能能级级E1上上的的电电子子被被激激发发到到了了高高能能级级E3上上,但但因因在在E3能能级级上上寿寿命命很很短短,很很快快跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态级级E2上上,结结果果在在E2与与E1之之间间形形成成“
9、粒粒子子数数反反转转分分布布”。这这种种处处于于E2亚亚稳稳能能级级上上的的电电子子是是不不稳稳定定的的,它它可可以以自自发发跃跃迁迁到到低低能能级级E1而而辐辐射射出出频频率率为为f21E2 E1h的的光子。光子。10粒子数反粒子数反转转分布形成示意分布形成示意图图11激光的形成激光的形成有有了了“粒粒子子数数反反转转分分布布”的的条条件件,就就能能实实现现光光的的放放大大,又又如如何何使使光光的的放放大大转转为为光光的的振振荡荡,成成为为激光光源呢?激光光源呢?把把激激光光物物质质放放置置在在由由两两个个反反射射镜镜组组成成的的光光谐谐振振腔腔之之间间,利利用用两两个个面面对对面面的的反反
10、射射镜镜来来实实现现光光的的反反馈馈放放大大,使使其其产产生生振振荡荡。光光谐谐振振腔腔的的轴轴线线与与激激光光物物质质的的轴轴线线相相合合。其其中中一一个个反反射射镜镜(M1)要要求求有有100%的的反反射射率率,另另一一个个(M2)要要有有95左左右右的的反反射射率,即允率,即允许许有部分的光透射。有部分的光透射。12图图3-3 激光的形成激光的形成13形成激光的三个必要条件形成激光的三个必要条件激激 光光 LASER是是 受受 激激 辐辐 射射 的的 光光 放放 大大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的的缩缩
11、写。用来写。用来产产生激光的装置,就叫做激光器。生激光的装置,就叫做激光器。由由此此可可见见,任任何何一一种种激激光光器器,都都必必须须包包括括下下列列三三个个最最基本的部分:基本的部分:o 工作物工作物质质激光器的激光器的组组成核心,也就是成核心,也就是发发光物光物质质。o 光学共振腔光学共振腔形成激光振形成激光振荡荡,输输出激光。出激光。o 激激励励系系统统将将各各种种形形式式的的外外界界能能量量转转换换成成激激光光光光能能,通常是激光器的通常是激光器的电电源。源。142.半半导导体激光器的基本原理体激光器的基本原理 用用半半导导体体材材料料做做激激光光物物质质的的激激光光器器,称称为为半
12、半导导体体激激光光器器。能能够够产产生生受受激激辐辐射射的的半半导导体体材材料料有有许许多多,而而当当前前在在光光纤纤通通信信方方面面用用得得较较多多的的是是砷砷化化镓镓(GaAs)半)半导导体激光器。体激光器。半半导导体体材材料料是是一一种种单单晶晶体体。在在晶晶体体中中,原原子子是是紧紧密密地地按按照照一一定定规规则则排排列列。各各原原子子最最外外层层的的轨轨道道互互相相重重迭迭,使使半半导导体体材材料料的的能能级级已已不不像像前前述述的的单单个原子那个原子那样样的分立的能的分立的能级级,而,而变变成了成了能能带带。15补补充知充知识识:泡利不相容原理:泡利不相容原理泡泡利利不不相相容容原
13、原理理:每每个个能能级级只只允允许许两两个个自自旋旋相反的相反的电电子占有子占有。根根据据泡泡利利不不相相容容原原理理,固固体体材材料料中中电电子子的的基基态态能能级级和和激激发发态态能能级级将将分分裂裂成成能能带带。对对半半导导体体,基基态态能能级级分分裂裂成成价价带带,激激发发态态能能级级分分裂裂成成导导带带。价价带带和和导导带带之之间间存存在在一一个个电电子子不不能能具具有有的的能能量量区区间间,称,称为为禁禁带带。16图图3-5 半半导导体能体能带图带图17半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理半半导导体体激激光光器器的的核核心心部部分分是是一一个个PN结结。这这个个PN结结是是高高
14、度度掺掺杂杂的的,P型型半半导导体体中中空空穴穴极极多多,N型型半半导导体体中中自由自由电电子极多。子极多。半半导导体体中中的的载载流流子子是是由由导带电导带电子和价子和价带带空穴空穴产产生的。生的。导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴18图图3-6 高高掺杂掺杂的的PN结结19势垒势垒的形成的形成高高掺掺杂杂的的PN结结中中,N区区的的电电子子向向P区区扩扩散散,在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带正正电电的的离离子子。P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散,在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带负负电电的的离离子子。因因此此在在P型型和和N型型半半导导体体交界的两交界的两侧
15、侧形成了形成了带带相反相反电电荷的区域,称荷的区域,称为为“空空间电间电荷区荷区”。在在P型型和和N型型半半导导体体交交界界的的两两侧侧形形成成了了一一个个电电场场叫叫“自自建建场场”。方方向向由由N区区指指向向P区区。与与此此相相应应,在在结结的的两两边边产产生生一一个个电电位位差差VD叫叫做做势势垒垒,它它阻阻碍碍空空穴穴和和电电子子进进一一步步扩扩散散,最后达到平衡。最后达到平衡。由由于于势势垒垒VD的的存存在在,使使得得P区区的的能能级级比比N区区提提高高了了eVD(e是是电电子子能能量量)。由由于于高高度度掺掺杂杂,空空间间电电荷荷区区的的正正负负电电荷荷很很多多,势势垒垒VD很很大
16、大,以以使使N型型半半导导体体的的导导带带的的底底部部能能级级(EC)N。比比P型半型半导导体价体价带顶带顶部能部能级级(EV)P还还要低。要低。20费费米能米能级级能能级级越越低低,电电子子占占据据的的可可能能性性就就越越大大,理理论论分分析析指指出出:存存在在着着某某一一能能级级EF,叫叫做做费费米米能能级级。对对于于EF以以下下的的所所有有能能级级,例例如如在在N区区导导带带中中EF和和(EC)N之之间间各各能能级级电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。对对于于EF以以上上的的所所有有能能级级,则则在在P区区价价带带中中,EF和和(EV)P之之间间各各能能级级电电子子占占据据的的
17、可可能能性性小小于于12。总总的的来来说说,N区区导导带带底底(EC)N以以上上到到费费米米能能级级EF之之间间这这个个区区域域内内的的电电子子数数多多于于P区区价价带带顶顶以下到以下到费费米能米能级级EF以上区域内的以上区域内的电电子数。子数。21图图3-7 外加正向外加正向电压时电压时的的PN结结22图图3-7 外加正向外加正向电压时电压时的的PN结结23正向正向电压电压减小和抵消减小和抵消势垒势垒作用作用当当外外加加正正向向电电压压时时,这这个个电电压压抵抵消消了了一一部部分分势势垒垒,使使势势垒垒降降低低。所所加加的的正正向向电电压压破破坏坏了了原原来来的的平平衡衡,使使费费米米能能级
18、级分分离离。在在N区区(EF)N以以下下各各能能级级,电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。在在P区区对对于于(EF)P以以上上的的各各能能级级,空空穴穴占占据据的的可可能能性性大大于于12,因因此此,当当 PN结结上上加加足足够够的的正正向向电电压压,保保证证电电流流足足够够放放大大时时,P区区的的空空穴穴和和N区区中中的的电电子子大大量量地地注注入入结结区区,在在PN结结的的空空间间电电荷荷区区附附近近就就存存在在一一个个电电子子反反转转分分布布的的区区域域,这这个个区区域域叫叫做做“有有源源区区”或或“作作用用区区”。在在有有源源区区内内,由由于于电电子子数数反反转转分分布布,在
19、在自自发发辐辐射射的的激激发发下下,产产生生的的受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收。一一个个光光子子会会不不断断激激发发出出更更多多完完全全相相同同的的光光子子,起了光放大作用。起了光放大作用。24阈值阈值(threshold value)只只有有足足够够大大的的正正向向电电压压,保保证证电电流流足足够够大大时时,才才能能产产生激光。生激光。当当电电流流较较小小时时,注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴也也较较少少,辐辐射射小小于于吸吸收收,增增益益系系数数G0,只只能能出出现现普普通通的的荧荧光光。电电流流逐逐渐渐加加大大,注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴增增多多,到到了了
20、G0,就就出出现现光放大光放大现现象。象。这时发这时发射很亮的射很亮的荧荧光。光。如如果果增增益益不不足足以以克克服服谐谐振振腔腔的的损损耗耗,仍仍不不能能在在腔腔内内产产生生振振荡荡。只只有有当当注注入入的的电电流流增增大大到到增增益益足足以以补补偿偿损损耗耗时时,才才能能产产生生谱谱线线尖尖锐锐、模模式式明明确确的的振振荡荡。刚刚开开始始产产生生激激光光的的电电流称流称为为激光器的激光器的阈值电阈值电流流。25图图3-8 注入注入电电流与光功率的关系流与光功率的关系26异异质结质结半半导导体激光器体激光器 上上面面分分析析的的半半导导体体激激光光器器,P区区和和N区区是是同同一一种种物物质
21、质砷砷化化镓镓(GaAs),故故称称为为同同质质结结半半导导体体激激光光器器,其其阈阈值值电电流流密密度度Jth很很大大(室室温温下下Jth5104Acm-2),难难以以在室温条件下在室温条件下连续连续工作。工作。为为了了提提高高激激光光器器的的功功率率和和效效率率,降降低低阈阈值值电电流流,使使用用了了异异质质结结的的半半导导体体激激光光器器。所所谓谓“异异质质结结”,就就是是由由两两种种材材料料(例例如如砷砷化化镓镓 GaAs 和和砷砷镓镓铝铝 GaAlAs 两两种种材材料料)构构成成的的PN结结。采采用用异异质质结结结结构构后后,Jth可可降降至至约约 103Acm-2 量量级级。273
22、.半半导导体激光器的主要特性体激光器的主要特性(1)阈值阈值(2)激光器效率)激光器效率(3)温度特性)温度特性(4)纵纵模特性光模特性光谱谱特性特性28(1)阈值阈值半半导导体体激激光光器器是是一一个个阈阈值值器器件件,它它的的工工作作状状态态随随注注入入电电流流的的不不同同而而不不同同。当当外外加加激激励励的的能能源源功功率率(一一般般为为电电能能源源)超超过过某某一一临临界界值值时时,激激光光物物质质中中的的粒粒子子数数反反转转达达到到了了一一定定程程度度,激激光光器器才才能能克克服服光光谐谐振振腔腔内内的的损损耗耗而而产产生生激激光光。此此临临界界值值就称就称为为激光器的激光器的阈值阈
23、值。激激光光器器的的阈阈值值主主要要是是指指阈阈值值电电流流Ith。当当注注入入电电流流大大于于Ith时时,激激光光器器激激发发出出激激光光。在在实实际际使使用用中中,外外加加激激励励能能源源刚刚达到达到阈值时虽阈值时虽有激光有激光输输出但很弱。出但很弱。对对激激光光器器而而言言,希希望望其其阈阈值值电电流流越越小小越越好好,因因为为阈阈值值电电流小,要求的外加激励能源就小,激光器本身流小,要求的外加激励能源就小,激光器本身发热发热就少。就少。29(2)激光器效率)激光器效率可用功率可用功率转换转换效率和量子效率衡量激光器效率和量子效率衡量激光器转换转换效率的高低。效率的高低。功功率率转转换换
24、效效率率定定义义为为:输输出出光光功功率率与与消消耗耗的的电电功功率率之之比比,表示式表示式为为:式中:式中:Pex激光器激光器发发射的光功率射的光功率Vj激光器的激光器的结电压结电压(PN结结正向正向电压电压)Rs激光器的串激光器的串联电联电阻(包括半阻(包括半导导体材料体材料电电阻和接触阻和接触电电阻)阻)I注入注入电电流流量子效率定量子效率定义为义为:输输出光子数与注入出光子数与注入电电子数之比,表示子数之比,表示为为 30(3)温度特性)温度特性半半导导体体激激光光器器的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率和和发发光光波波长长随随温温度度而而变变化的特性称化的特性称为为温度特性。温
25、度特性。阈阈值值电电流流随随温温度度的的升升高高而而加加大大。这这是是因因为为温温度度上上升升使使异异质质结结势势垒垒的的载载流流子子限限制制作作用用下下降降,因因此此激激光光器器的的阈阈值值电电流流增增大大。阈值电阈值电流与温度的流与温度的变变化关系可以表示化关系可以表示为为:(3-4)式式中中:T为为器器件件的的绝绝对对温温度度,I0为为常常数数,T0为为激激光光器器材材料料的的特特征征温温度度。对对于于GaAs-GaAlAs半半导导体体激激光光器器,T0100150K,InGaAsP-InP激激光光器器T04070K。T0越越大大,器器件件的的温温度度特特性性越越好。好。半半导导体体激激
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