光纤通信技术第4章光器件ppt课件.ppt

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1、本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。第第4章章 光器件光器件 学习目标学习目标1.掌握激光产生的基本原理掌握激光产生的基本原理2.掌握光源的结构、原理和性能掌握光源的结构、原理和性能3.掌握光放大器的结构、原理和性能掌握光放大器的结构、原理和性能4.掌握波分复用器的类型、原理和应用掌握波分复用器的类型、原理和应用5.掌握光电检测器的结构、原理和性能掌握光电检测器的结构、原理和性能6.了解光分插复用器的作用、原理和应用了解光分插复用器的作用、原理和应用7.了解光交叉复

2、用器的作用、原理和应用了解光交叉复用器的作用、原理和应用8.理解光开关作用、原理和应用理解光开关作用、原理和应用本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。知识要点知识要点本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.1 概述概述 光纤光器件是光纤通信的基础。光纤使世界通信业光纤光器件是光纤通信的基础。光纤使世界通信业由电通信技术进入了光（纤）通信技术

3、领域。光器件由电通信技术进入了光（纤）通信技术领域。光器件则是构建通信系统和光网络的基础。光放大器的发明则是构建通信系统和光网络的基础。光放大器的发明既延长了通信系统的传输距离，推动了全光传输的进既延长了通信系统的传输距离，推动了全光传输的进程。波分复用器的推出，使传输系统容量增加了几十程。波分复用器的推出，使传输系统容量增加了几十乃至数百倍，同时节约线路投资，承载更多的业务，乃至数百倍，同时节约线路投资，承载更多的业务，赋予了网络灵活组网和高的生存性。色散补偿器促进赋予了网络灵活组网和高的生存性。色散补偿器促进了传输系统向着更高速率、更大容量和更长距离方向了传输系统向着更高速率、更大容量和更

4、长距离方向发展。光分插复用器和交叉连接器给予光网络更灵活发展。光分插复用器和交叉连接器给予光网络更灵活的组网和更高的生存性。光开关为光网络自动控制和的组网和更高的生存性。光开关为光网络自动控制和保护恢复提供了技术保障。保护恢复提供了技术保障。因此要因此要掌握各种光器件的掌握各种光器件的基本结构基本结构、工作原理和技术性能。、工作原理和技术性能。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.2 光源光源4.2.1 作用作用 光源是光纤通信系统的核心部件。光源的材料、光源是光

5、纤通信系统的核心部件。光源的材料、结构、工作原理和特性不仅限制着传输系统的性结构、工作原理和特性不仅限制着传输系统的性能和质量，而且在一定程度上决定着网络的性能能和质量，而且在一定程度上决定着网络的性能和成本。光纤通信中常用半导体光源，如发光二和成本。光纤通信中常用半导体光源，如发光二极管（极管（Light Emitting Diode，LED）、分布反）、分布反馈激光二极管馈激光二极管,(Distributed Feedback Laser Diode，DFBLD)和分布反馈多量子阱激光器和分布反馈多量子阱激光器（Quantum Well Laser，QWLD）和垂直腔半）和垂直腔半导体激光

6、器（导体激光器（VCSEL,Vertical Cavity Semiconductor Laser）的发展历程，从表面）的发展历程，从表面上看是光源材料类型、结构品种、制造工艺和工上看是光源材料类型、结构品种、制造工艺和工作特性的进步，而其实质是光纤通信技术由低速作特性的进步，而其实质是光纤通信技术由低速率、短距离和小容量向着高速率、远距离和大容率、短距离和小容量向着高速率、远距离和大容量的发展。量的发展。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。人们选择半导体材料制造光

7、源的理由是，人们选择半导体材料制造光源的理由是，1.充充分利用了展现半导体本征特点，即尺寸小、效率分利用了展现半导体本征特点，即尺寸小、效率高和高可靠性等；高和高可靠性等；2.具有光纤通信必需的一些特具有光纤通信必需的一些特性，如宽的工作波长范围、窄的光谱宽度、易于性，如宽的工作波长范围、窄的光谱宽度、易于光纤耦合（发光面积与纤芯尺寸相匹配）和光强光纤耦合（发光面积与纤芯尺寸相匹配）和光强调制方便等。表调制方便等。表4-1列出了光纤通信系统对光源选列出了光纤通信系统对光源选择的基本要求。择的基本要求。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计

8、和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.2.2 激光原理激光原理1 发光发光 借助量子物理学中的电子与外界交换能量产生借助量子物理学中的电子与外界交换能量产生的能级跃迁的概念，通过两能级系统可以解释半的能级跃迁的概念，通过两能级系统可以解释半导体光源的发光原理。电子怎样吸收或释放能量导体光源的发光原理。电子怎样吸收或释放能量进行跃迁呢？当电子从低能级跃迁到高能级时，进行跃迁呢？当电子从低能级跃迁到高能级时，电子由低向高的级跃迁所需要的能量应该从那里电子由低向高的级跃迁所需要的能量应该从那里获得呢？当电子从高能级跃迁到低能级时，电子获得呢？当电子从高能级跃迁到

9、低能级时，电子释放的能量到哪里去呢？发生跃迁的惟一原因是释放的能量到哪里去呢？发生跃迁的惟一原因是电子吸收光子的能量或者电子释放能量给光子。电子吸收光子的能量或者电子释放能量给光子。从量子物理学的观点看，发光是电子由高能级跃从量子物理学的观点看，发光是电子由高能级跃迁到低能级而产生的结果。迁到低能级而产生的结果。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。2 辐射辐射 利用两能级系统的能级跃迁概念，可以解释由利用两能级系统的能级跃迁概念，可以解释由大量原子组成的系统，同时存

10、在着光的自发辐射、大量原子组成的系统，同时存在着光的自发辐射、受激辐射和吸收辐射三个基本过程。三个基本过受激辐射和吸收辐射三个基本过程。三个基本过程所发生的能级跃迁和产生光子的原理，分别如程所发生的能级跃迁和产生光子的原理，分别如图图4-1中的（中的（a）、（）、（b）和（）和（c）所示。）所示。吸收辐射是原子系统吸收一个光子引起电子从吸收辐射是原子系统吸收一个光子引起电子从低能级跃迁到高能级的过程。吸收辐射是的特点低能级跃迁到高能级的过程。吸收辐射是的特点是：是：1.吸收辐射需要消耗外来的光能；吸收辐射需要消耗外来的光能；2.吸收光子吸收光子，形成电子，形成电子-空穴对，发生光电转换过程。空

11、穴对，发生光电转换过程。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。3 粒子数反转粒子数反转 为了获得一个纯的受激辐射作用，必须满足的为了获得一个纯的受激辐射作用，必须满足的一个条件是高能级的电子数远远多于低能级的电一个条件是高能级的电子数远远多于低能级的电子数。粒子数反转被称为高能级的电子数远远多子数。粒子数反转被称为高能级的电子数远远多于低能级的电子数。粒子数反转引起受激辐射。于低能级的电子数。粒子数反转引起受激辐射。受激辐射是激光器实现光放大工作的先决条件。受激辐射是

12、激光器实现光放大工作的先决条件。因此，我们有必要了解各种辐射速率、粒子数数因此，我们有必要了解各种辐射速率、粒子数数反转条件和获得粒子数反转的方法。反转条件和获得粒子数反转的方法。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。如果如果N1和和N2分别是基态和激发态的原子密度，分别是基态和激发态的原子密度，(v)为电磁磁场能量的光能量的光谱密度，那么自密度，那么自发辐射、射、受受激辐射与吸收辐射的速率可以分别写成激辐射与吸收辐射的速率可以分别写成(4-2)形式：形式：式中，式中

13、，A，B和和C分别为常数。在热平衡中，原子分别为常数。在热平衡中，原子密度呈波尔兹曼统计分布形式，如式密度呈波尔兹曼统计分布形式，如式(4-3)所示：所示：本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。式中式中kB 为波尔兹曼常量，为波尔兹曼常量，T是绝对温度。在热平是绝对温度。在热平衡中，由于衡中，由于N1和和N2不随时间而变化，电子向上和不随时间而变化，电子向上和向下跃迁的速率应该是相等，如式向下跃迁的速率应该是相等，如式(4-3)所示：所示：本标准适用于已投入商业运行的

14、火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4 能带理论能带理论 在研究半导体的辐射速率和吸收速率时，应该在研究半导体的辐射速率和吸收速率时，应该借助于半导体材料的能带理论。图借助于半导体材料的能带理论。图4-2所示的是，所示的是，利用由能量利用由能量-波矢空间抛物线导带和价带组成的最波矢空间抛物线导带和价带组成的最简单能带结构表示的辐射

15、过程。只要图简单能带结构表示的辐射过程。只要图4-1中的中的能态能态E2被一个电子所占居，而能态被一个电子所占居，而能态E1处于为空闲处于为空闲，即由一个空穴所占居；这时就会发生自发辐射。，即由一个空穴所占居；这时就会发生自发辐射。由图由图4-2我们可以看出，利用费米我们可以看出，利用费米-狄拉克分布计狄拉克分布计算出电子在导带和价带的占用率。算出电子在导带和价带的占用率。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和

16、供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4 PN结结 研究研究PN结的材料和结构目的是为了深入了结的材料和结构目的是为了深入了解各种半导体光源的不同工作原理和工作特性。解各种半导体光源的不同工作原理和工作特性。众所周知，半导体光源的核心，即复合发光区众所周知，半导体光源的核心，即复合发光区（有源区）是由一个或多个垂直方向的（有源区）是由一个或多个垂直方向的PN结构

17、结构成。成。PN结是由结是由P型半导体和型半导体和N型半导体共同形型半导体共同形成的结。成的结。P型半导体和型半导体和N型半导体是通过掺以过型半导体是通过掺以过多电子或缺少电子的杂质方法而使制得的。通多电子或缺少电子的杂质方法而使制得的。通常，根据常，根据PN结的性质不同，可以分为同质结、结的性质不同，可以分为同质结、双异质结和量子阱结构。光纤通信中常用的激双异质结和量子阱结构。光纤通信中常用的激光器采用的就是异质结和量子阱结构。光器采用的就是异质结和量子阱结构。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环

18、机组可参照本标准执行，并增补指标。半导体光源采用异质结几何结构具有双重益处：半导体光源采用异质结几何结构具有双重益处：1.两种半导体之间的带隙差有助于限制电子和空两种半导体之间的带隙差有助于限制电子和空穴到达中间有源层，随着电子穴到达中间有源层，随着电子-空穴复合，在有源空穴复合，在有源层中就会产生光；层中就会产生光；2.由于有源层具有更小的带隙，由于有源层具有更小的带隙，所以其的折射率比其周围的所以其的折射率比其周围的P型和型和N型包层折射率型包层折射率略大。这样，有源层可以看成是一个介质波导。略大。这样，有源层可以看成是一个介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制有源层所支持通过改变有源层

19、厚度可以达到控制有源层所支持的光波导模数。图的光波导模数。图4-3全面描述了在双异质结结构全面描述了在双异质结结构中各层的电子能量、折射率和光波导模数分布。中各层的电子能量、折射率和光波导模数分布。正是这些特征使得半导体激光器得到各种广泛应正是这些特征使得半导体激光器得到各种广泛应用。用。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.2.3 发光二极管发光二极管1.工作原理工作原理 发光二极管（发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是利用电子是利用

20、电子-空穴对复合而产生自发辐射的发光空穴对复合而产生自发辐射的发光器件。器件。LED的发光原理可以概括为，当在的发光原理可以概括为，当在PN结结上直接施加正向偏置电压时，上直接施加正向偏置电压时，P型半导体中的空型半导体中的空穴和穴和N型半导体中的电子向着型半导体中的电子向着PN结及其结合部分结及其结合部分流动。在半导体晶体内部受激电子从高能级跃迁流动。在半导体晶体内部受激电子从高能级跃迁到低能级的自发辐射过程中，电子损失的能量以到低能级的自发辐射过程中，电子损失的能量以光子形式辐射出来，即自发辐射发光或能级光子形式辐射出来，即自发辐射发光或能级(带带隙隙)间发光。间发光。本标准适用于已投入商

21、业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。几乎所有的直接带隙的半导体材料都可以构成自发几乎所有的直接带隙的半导体材料都可以构成自发辐射发光的辐射发光的PN同质结。对于半导体材料的具体要求是，同质结。对于半导体材料的具体要求是，1.为了减少晶格缺陷的形成，两种材料的晶格常数的为了减少晶格缺陷的形成，两种材料的晶格常数的匹配应该优于匹配应该优于0.1%；2.，在一个自然形成的二元半导，在一个自然形成的二元半导体材料（如体材料（如GaAs）用其它元素代替一定数量的）用其它元素代替一定数量的GaAs

22、晶格点阵就可以人工制造出晶格常数十分精确匹配的晶格点阵就可以人工制造出晶格常数十分精确匹配的三元和四元半导体材料。在一个二元半导体材料三元和四元半导体材料。在一个二元半导体材料GaAs中，用中，用Al原子代替原子代替x分数的分数的Ga原子就形成了一个三元原子就形成了一个三元半导体材料半导体材料AlxGa1-xAs。尽管这个三元半导体材料具。尽管这个三元半导体材料具有几乎完全相同的晶格常数，但是确实提高了其带隙。有几乎完全相同的晶格常数，但是确实提高了其带隙。带隙与掺杂量带隙与掺杂量x存在着一个简单的线性关系，如公式存在着一个简单的线性关系，如公式（4-16）所示。）所示。式中，式中，Eg是半导

23、体材料的带隙，其单位为电子是半导体材料的带隙，其单位为电子-伏伏特（特（eV）。）。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。一般，通过一般，通过In、Ga、Al、As和和P元素的任意三元素的任意三元和四元组合，以形成具有直接带隙的三元和四元和四元组合，以形成具有直接带隙的三元和四元半导体材料。因为光子能量几乎与带隙相等，元半导体材料。因为光子能量几乎与带隙相等，这样带隙就可以控制这样带隙就可以控制LED的发光波长。的发光波长。LED的发的发光波长是其重要的参数之一。利用

24、式（光波长是其重要的参数之一。利用式（4-17），），可以计算出可以计算出LED的发光波长。的发光波长。（m）=1.24/Eg(eV)(4-17)式中，式中，Eg是半导体材料的带隙。由式（是半导体材料的带隙。由式（4-17）得到启示，得到启示，LED的精确的发光波长取决于的精确的发光波长取决于LED所所用的半导体材料的带隙。通过改变用的半导体材料的带隙。通过改变In、Al、As和和Ga元素的种类和选择不同的掺杂量元素的种类和选择不同的掺杂量x，我们就可，我们就可以制造出不同工作波长的以制造出不同工作波长的LED。表。表4-2给出了不给出了不同半导体材料的带隙和发光波长的关系。同半导体材料的带隙

25、和发光波长的关系。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。2.类型类型（1）面发发光二极管）面发发光二极管光纤通信中广泛使用的是面发光二极管光纤通信中广泛使用的是面发光二极管（Surface Light Emitting Diode，SLED）。）。所谓所谓SLED的涵义是表示光是从与有源层垂直的涵义是表示光是从与有源层垂直的平面发出的。为了获得高的辐射，的平面发出的。为了获得高的辐射，SLED的的发光区被限制在器件中的径向尺寸与光纤芯发光区被限制在器件中的径向尺寸与光

26、纤芯径相当小的有源区。径相当小的有源区。SLED的基本结构，如图的基本结构，如图4-4所示。所示。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。（2）边发光二极管）边发光二极管 现在，在光纤通信中最常用的另一种发光二极现在，在光纤通信中最常用的另一种发光二极管光源是条形双异质结边发光二极管管光源是条形双异质结边发光二极管(Edge Light Emitting Diode，ELED)。顾名思义。顾名思义ELED的输出光是从有源层边发出的。图的输出光是从有源层边发出的。图4-5

27、（a）和（）和（b）分别所示的是）分别所示的是AlGaAs/GaAs ELED和和InGaAsP/InP ELED的基本结构。的基本结构。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。3.工作特性工作特性（1）输出光功率）输出光功率 业内人士十分清楚，业内人士十分清楚，LED的工作特性与其所用的材料和的工作特性与其所用的材料和采用的具体结构有关。由上节阐述的内容可知，研究人员采用的具体结构有关。由上节阐述的内容可知，研究人员通过设计不同结构类型的目的就是要获得具有不同的工作通

28、过设计不同结构类型的目的就是要获得具有不同的工作特性特性LED。反之，。反之，LED的输出光功率、光谱和调制带宽等的输出光功率、光谱和调制带宽等主要特性是由器件的结构决定的。主要特性是由器件的结构决定的。LED的输出光功率潜在的表示系统的传输距离。的输出光功率潜在的表示系统的传输距离。LED的的输出光功率直接取决于有源区的有效电子密度，而电子密输出光功率直接取决于有源区的有效电子密度，而电子密度又是表面复合的速率、有源层厚度、载流子扩散长度以度又是表面复合的速率、有源层厚度、载流子扩散长度以及有源层自身吸收率的函数。因此，及有源层自身吸收率的函数。因此，LED的输出光功率可的输出光功率可以表示

29、为驱动电流和电子密度的函数。以表示为驱动电流和电子密度的函数。P=(hc)/(e)I (4-20)本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。式中，式中，I为驱动电流为驱动电流,是量子效率，是量子效率，h为普朗克常为普朗克常数，数，c 是光速，是光速，e为电荷，为电荷，是光波长。其实是光波长。其实LED不是阈值器件，其输出光功率与注入电流成正比，不是阈值器件，其输出光功率与注入电流成正比，图图4-7所表示的是一个具体的所表示的是一个具体的LED的输出光功率和的输出光功率和注

30、入电流的曲线。由式（注入电流的曲线。由式（4-20）得知，理想的）得知，理想的LED的输出光功率的输出光功率P随着驱动电流随着驱动电流I的增大而呈现的增大而呈现出线性增加。实际上，出线性增加。实际上，LED会呈现出明显的非线会呈现出明显的非线性。我们必需采用一些线性化电路技术（如预校性。我们必需采用一些线性化电路技术（如预校正准线性化或者负反馈）使正准线性化或者负反馈）使LED获得线性工作特获得线性工作特性。只要具有线性特性的性。只要具有线性特性的LED适合用于高质量的适合用于高质量的模拟光纤通信系统。模拟光纤通信系统。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组

31、的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。为了能够了解不同的为了能够了解不同的LED实际的输出光功率实际的输出光功率P与驱动电流与驱动电流I的关系，图的关系，图6-8绘制出了绘制出了SLED、ELED和和S-LED的的P-I的曲线关系。在驱动电流较的曲线关系。在驱动电流较小时，它们的小时，它们的P-I的曲线基本是线性的。但是的曲线基本是线性的。但是SLED的复合发光的量子效率会随着电流的增大的复合发光的量子效率会随着电流的增大而降低，其输出光功率逐渐趋向饱和，使得而降低，其输出光功率逐渐趋向饱和，使得P-I的的曲线呈现准线性。由图曲线呈现准线性

32、。由图4-8可以看出，可以看出，ELED的的P-I的曲线接近于线性，虽然其发光面积比的曲线接近于线性，虽然其发光面积比SLED小小得多，但是在较大的驱动电流作用下，它仍然可得多，但是在较大的驱动电流作用下，它仍然可以获得比较大的输出光功率。面发光关系。以获得比较大的输出光功率。面发光关系。S-LED的的P-I的曲线呈现出超线性关系。其输出光功的曲线呈现出超线性关系。其输出光功率随驱动电流的增加而呈超线性地增大。率随驱动电流的增加而呈超线性地增大。S-LED是利用高注入电流对自发辐射进行放大，故它可是利用高注入电流对自发辐射进行放大，故它可以获得较大的商场光功率。以获得较大的商场光功率。本标准适

33、用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。图图4-9给出了一个典型的给出了一个典型的1.3mLED，在几个不，在几个不同温度的输出光功率同温度的输出光功率-驱动电流的曲线，简称驱动电流的曲线，简称P-I曲曲线。由图线。由图4-9可以看出，在驱动电流达到可以看出，在驱动电流达到80mA以以上时，上时，P-I曲线发生弯曲。曲线发生弯曲。P-I曲线的弯曲是有源区曲线的弯曲是有源区温度升高，引起温度升高，引起LED响应度降低所致。响应度降低所致。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝

34、式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。（2）光谱特性）光谱特性 LED光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波长和光谱的半高全宽长和光谱的半高全宽（最大光强一半处的光谱（最大光强一半处的光谱全宽）等。了解全宽）等。了解LED光谱特性的目的是，在为设光谱特性的目的是，在为设计通信系统时，能够针对不同的计通信系统时，能够针对不同的LED光谱特性，光谱特性，正确选择和使用正确选择和使用LED。例如，。例如，LED的输出光谱线的输出光谱线宽就是指宽就是指LED所发射的光波长范围，即光源

35、的谱所发射的光波长范围，即光源的谱线宽度来表示的。线宽度来表示的。LED发射光谱较宽，这是由于发射光谱较宽，这是由于载流子的复合的结果。发光的峰值波长与带隙宽载流子的复合的结果。发光的峰值波长与带隙宽度有关，但是并不完全对应于带隙。由于导带中度有关，但是并不完全对应于带隙。由于导带中的电子和价带中的空穴的最大浓度分别对应于：的电子和价带中的空穴的最大浓度分别对应于：Ec+kBT/2和和Ev+kBT/2。因此，。因此，测得的光谱峰值测得的光谱峰值波长对应的能量为波长对应的能量为E+kBT。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机

36、组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。LED的光谱与自发辐射速率有关。由于的光谱与自发辐射速率有关。由于LED发光原理是自发辐射发光，没有谐振腔对波长的发光原理是自发辐射发光，没有谐振腔对波长的选择，所以选择，所以LED的光源的谱线宽度比较宽。的光源的谱线宽度比较宽。LED的谱线宽度的谱线宽度与发射波长（有源层材料的带隙决与发射波长（有源层材料的带隙决定）和结的绝对温度有关，如公式（定）和结的绝对温度有关，如公式（4-21）所示。）所示。=3.3（kT/h）(2/c)(4-21)式中，式中，T为结的绝对温度驱动电流为结的绝对温度驱动电流,c是光速，是光速，k为波尔兹曼常数，

37、为波尔兹曼常数，h为普朗克常数。为普朗克常数。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。LED的光谱线宽与半导体材料、基本结构和温的光谱线宽与半导体材料、基本结构和温度等因素有关在室温度下和工作波长在度等因素有关在室温度下和工作波长在800 nm-900 nm时，。时，。LED的光谱线宽的光谱线宽通常在通常在25 nm-40 nm之间。对于那些工作波长选择在之间。对于那些工作波长选择在1100 nm-1700 nm的小带隙材料的小带隙材料LED，它们的光谱线宽具，它们的光

38、谱线宽具有增加到有增加到50 nm-160 nm的趋势。人们已研究得的趋势。人们已研究得知，同一材料（知，同一材料（INGaAsP），不同结构的），不同结构的SLED和和ELED的光谱线宽曲线。的光谱线宽曲线。SLED的的=125nm，ELED的的的的=75nm，而，而S-LED的的的的=50nm。例如，工作波长为例如，工作波长为0.85m的的 AlGaAs面发光面发光 LED谱线宽度为谱线宽度为40nm，工作波长为，工作波长为1.3m的的InGaAsP LED谱线宽度为谱线宽度为110nm。随着温度升高。随着温度升高和驱动电流增加，和驱动电流增加，LED的光谱发生展宽，即光谱的光谱发生展宽，

39、即光谱漂移且光强减小。图漂移且光强减小。图4-10示出了示出了LED的输出光谱的输出光谱与绝对温度的函数关系。与绝对温度的函数关系。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。LED的输出光谱线宽光源的光谱通过光纤色散的输出光谱线宽光源的光谱通过光纤色散来影响光纤通信系统的性能。由于来影响光纤通信系统的性能。由于LED具有具有50-60nm的谱线宽度，在光纤通信系统中使用的谱线宽度，在光纤通信系统中使用LED时，时，光纤的色散会严重的限制传输带宽（速率光纤的色散会严重的限制

40、传输带宽（速率-距离的距离的乘积）。因光纤的色散与光源谱宽成比例，故以乘积）。因光纤的色散与光源谱宽成比例，故以LED为光源和以多模光纤为传输介质所构成的光为光源和以多模光纤为传输介质所构成的光纤通信系统，其传输速率仅为纤通信系统，其传输速率仅为10-100Mbit/s，传，传输距离为几公里。因此，输距离为几公里。因此，LED和多模光纤的组合和多模光纤的组合是局域网（是局域网（Local Area Network，LAN）的最经）的最经济传输系统方案。现在，在高速率、短距离传输济传输系统方案。现在，在高速率、短距离传输方面，方面，LED已经实现了已经实现了565 Mbit/s、3.2km的传的

41、传输试验。输试验。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。（3）调制带宽）调制带宽 光纤通信中的调制带宽既可以使用电调制带光纤通信中的调制带宽既可以使用电调制带宽，又可以使用光调制带宽进行定义。当将光宽，又可以使用光调制带宽进行定义。当将光纤通信系统中的电路一起考虑时，采用电调制纤通信系统中的电路一起考虑时，采用电调制带宽是非常的有用。通过调制部分电信号功率带宽是非常的有用。通过调制部分电信号功率可以使光信号功率减小到其恒定值的可以使光信号功率减小到其恒定值的1/2。这

42、个。这个光功率的降低光功率的降低1/2点所对应的是电信号点所对应的是电信号3dB点或点或者相对于输入电功率而言，输出电功率减小者相对于输入电功率而言，输出电功率减小3dB的频率。由于光源在直流电平下工作，我的频率。由于光源在直流电平下工作，我们只考虑高频们只考虑高频3dB点。调制带宽所指的就是从点。调制带宽所指的就是从0到高频到高频3dB点之间的频率范围。如果我们研究点之间的频率范围。如果我们研究光调制带宽，获得的调制带宽数值要比电调制光调制带宽，获得的调制带宽数值要比电调制带宽大。光纤通信中的光调制带宽和电调制带带宽大。光纤通信中的光调制带宽和电调制带宽之间的关系，如图宽之间的关系，如图4-

43、11所示。所示。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。LED的调制带宽受限于以下三个机理：的调制带宽受限于以下三个机理：1.有源有源区掺复杂程度；区掺复杂程度；2.注入载流子缩短辐射寿命；注入载流子缩短辐射寿命；3.器器件的寄生电容。在忽略寄生电容的条件下，对于件的寄生电容。在忽略寄生电容的条件下，对于采用直接电流调制的采用直接电流调制的LED的速度主要受限于载流的速度主要受限于载流子的复合寿命子的复合寿命，这个复合寿命包括发光的和不发，这个复合寿命包括发光的和不发光

44、的载流子时间。因此，光的载流子时间。因此，LED的调制带宽可以定的调制带宽可以定义为：义为：f=1/(2)(4-22)本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。（4）温度特性）温度特性 LED的温度特性可以用的温度特性可以用LED的输出光功率的输出光功率P随随温度变化的经验公式（温度变化的经验公式（4-24）和）和LED的输出个功的输出个功率随温度的变化曲线来表示。率随温度的变化曲线来表示。式中，式中，P0是是LED的起始输出光功率，的起始输出光功率，T为绝对为绝对温度。

45、对于面发光温度。对于面发光AlGaAs LED，T0的变化范围的变化范围是是300350K；对于面发光；对于面发光InGaAsP LED，T0的的变化范围为变化范围为180220K。对于边发光。对于边发光AlGaAs LED，T0的变化范围是的变化范围是100120K；对于；对于InGaAsP LED，T0的变化范围为的变化范围为7080K。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。各种结构的各种结构的LED的输出光功率随温度的变化关的输出光功率随温度的变化关系，如图系，

46、如图4-12所示。由图所示。由图4-12我们可以看出，与我们可以看出，与激光器相比，激光器相比，LED对温度的变化不敏感，所以对温度的变化不敏感，所以LED在实际应用当中，对温度的要求不像激光器在实际应用当中，对温度的要求不像激光器那样严格，可以不用复杂的温度控制电路。另外，那样严格，可以不用复杂的温度控制电路。另外，边发光边发光LED比面发光比面发光LED对温度敏感，面发光对温度敏感，面发光LED更适合应用于温度变化的场所。，更适合应用于温度变化的场所。，由理论推算的由理论推算的LED的寿命可以长达的寿命可以长达108-1010h。然而，电流密度对然而，电流密度对LED的寿命影响很大，大的电

47、的寿命影响很大，大的电流密度时，高的发射功率，就会使流密度时，高的发射功率，就会使LED的寿命大的寿命大大缩短。大缩短。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.2.4 激光器激光器1.基本结构基本结构 激光二极管（激光二极管（Laser Diode，LD，）是一种借助于，）是一种借助于受激辐射发光的半导体器件（简称为激光器）。纵观受激辐射发光的半导体器件（简称为激光器）。纵观LD结构的研究发展历程，结构的研究发展历程，LD结构首先应该能够履行受结构首先应该能够履行受

48、激辐射光放大职责。其次它必须具有优异的工作特性。激辐射光放大职责。其次它必须具有优异的工作特性。如图如图4-13所示的是，一个典型的所示的是，一个典型的LD基本结构应该由有基本结构应该由有源区、光反馈装置、频率选择元件和光波导等基本功源区、光反馈装置、频率选择元件和光波导等基本功能部件组成。有源区（增益区）是实现粒子数反转分能部件组成。有源区（增益区）是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。有源区采用双异结结构可以有布、有光增益的区域。有源区采用双异结结构可以有效地提高激光器的增益效率。光反馈装置是在光学谐效地提高激光器的增益效率。光反馈装置是在光学谐振腔内提供必要的正反馈，以建立起稳定的激光振

49、荡。振腔内提供必要的正反馈，以建立起稳定的激光振荡。频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。光波导用于对所产生的光波在激光器中的一个模式。光波导用于对所产生的光波在激光器内部进行的引导。内部进行的引导。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。LD的结构向着：有源区、谐振腔和条形三大的结构向着：有源区、谐振腔和条形三大研究方向发展。有源区一般采用异质结结构，其研究方向发展。有源区一般采用异质结结构，其结构的

50、发展经历了由同质结、单异质结、双异质结构的发展经历了由同质结、单异质结、双异质结到量子阱、量子线和量子点。结到量子阱、量子线和量子点。这些结构发展的这些结构发展的目的是以比较小的注入目的是以比较小的注入电流来获得有效的光放大电流来获得有效的光放大。谐振腔结构技术进步经历了从法布里谐振腔结构技术进步经历了从法布里-珀罗腔、分珀罗腔、分布反馈腔、分布布拉格反射器到到垂直腔、短耦布反馈腔、分布布拉格反射器到到垂直腔、短耦合腔。这些结构的发展是通过加入选频装置完成合腔。这些结构的发展是通过加入选频装置完成对激光光谱由多模到单模的选择任务，以求能够对激光光谱由多模到单模的选择任务，以求能够获得窄的光谱线