光源与光发射机

第四章光源和光发射机广东海洋大学理学院·光纤通信22020年2月23日星期日§4-1概述；§4-2半导体光源的工作原理；§4-3半导体激光器；§4-4发光二极管；§4-5光源的调制及驱动电路；§4-5LD光发射机的控制电路；本章思考题。第四章的主要内容广东海洋大学理学院·光纤通信32020年2月23日星期日§4-1概述光源—光发射机的核心部件：半导体激光管LD；半导体发光二极管LED。电信号输入电路驱动电路光源控制电路对光源进行调制辅助电路：稳定信号，控制温度光信号一、光发射机简单框图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、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。广东海洋大学理学院·光纤通信42020年2月23日星期日§4-1概述此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。广东海洋大学理学院·光纤通信52020年2月23日星期日§4-1概述二、光发射机的主要指标光发射机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。1.平均发送功率及其稳定度平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率，是在“0”、“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。2.消光比消光比定义为全“1”码的输出功率与全“0”码的输出功率之比，取常用对数，通常用符号EXT表示：广东海洋大学理学院·光纤通信62020年2月23日星期日§4-1概述光发射机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求1.光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内；2.有足够高和稳定的输出功率；3.电光转换效率高、驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高；4.单色性和方向性好；110lgPEXTP全全0广东海洋大学理学院·光纤通信72020年2月23日星期日§4-1概述5.易调制、响应速度快；6.光强对驱动电流的线性要好，以保证足够多的信号模拟调制光源而不发生畸变；7.体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体光源呢？半导体光源可以直接进行调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。广东海洋大学理学院·光纤通信82020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁—光源的物理基础能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，即：原子中的电子只能在一定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能量最低，电子受原子核束缚最强，最外层的轨道量子态能量最高，电子受原子核束缚最弱，这些不同的轨道运行时相应的能量值（包括电子的动能和电位能）称为能级。广东海洋大学理学院·光纤通信92020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理能级跃迁：原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生量子跃迁，量子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。热跃迁：交换的能量是热运动的能量；光跃迁：交换的能量是光能。√广东海洋大学理学院·光纤通信102020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理考虑双能级的系统，低能级E1和高能级E2，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在热平衡状态下，总是N1N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。1212expNEENKT广东海洋大学理学院·光纤通信112020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光子（频率为υ，能量为hυ=E2-E1）的形式辐射。所以，自发辐射过程的特点如下：①处于高能级电子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关；②由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间（如共价晶体中导带向价带的自发辐射），因此材料的发射光谱范围很宽；③即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，是一种非相干光。分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间各个方向传播，是非相干光（荧光）。广东海洋大学理学院·光纤通信122020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理受激吸收/跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1），吸收一个光子从低能级E1跃迁到高能级E2上。所以，受激吸收过程的特点如下：①受激吸收时需要消耗外来光能；②受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子—空穴对的光电转换过程。当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。广东海洋大学理学院·光纤通信132020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理受激辐射：处于高能级E2的电子在感应光场作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1），发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。所以，受激辐射的特点如下：①②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子，是相干光。③受激辐射过程实质上是将感应光得到放大。发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，是相干光。广东海洋大学理学院·光纤通信142020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理广东海洋大学理学院·光纤通信152020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理每种跃迁是不是独立存在的呢？实际上，在光电器件中，自发辐射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现，但对于各种特点的光电器件，只有一种机理起主要作用，分别对应的是：发光二极管LED，半导体激光管LD和光电二极管/光电探测器。光纤通信多数采用LD，则受激辐射的条件和结果？广东海洋大学理学院·光纤通信162020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理条件-粒子数反转分布状态:如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。结果-光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来感应光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的相干光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。广东海洋大学理学院·光纤通信172020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理二、半导体能带结构和载流子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，晶体能谱分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带—能带。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/带隙，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。Eg=Ec-EvE2E1广东海洋大学理学院·光纤通信182020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理此动画为晶体的能带动画：导带和价带为光源提供了物理基础。广东海洋大学理学院·光纤通信192020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理电子在能级上是如何分布的呢？(遵循的规律)电子的能级分布：费米-狄拉克统计规律在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率p(E)服从费米分布函数费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。费米能级：不是一个可以被电子占据的实际存在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲，位置由总电子数能级具体情况决定，对本征半导体，在禁带的中心。()/1()1ffEEkTpEEe，费米能级广东海洋大学理学院·光纤通信202020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理p(E)是电子在各能级分布的概率，所以有①当E=Ef时，p(E)=1/2，能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际上费米能级不存在；②当EEf时，p(E)1/2，能级E被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)kT，则p(E)→1，能级几乎被电子占据；③当EEf时，p(E)1/2，能级E被电子占据的概率比较小，如果(E-Ef)kT，则p(E)→0，能级几乎被空穴占据。()/1()1ffEEkTpEEe，费米能级广东海洋大学理学院·光纤通信212020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理根据费米统计规律，可得各种半导体中电子的统计分布：Ef导带禁带价带Ef(a)本征半导体(b)兼并型P型半导体Ef(c)兼并型N型半导体(d)双兼并型半导体EfEfcEfv低温下，本征半导体费米能级的禁带的中心位置。对于重掺杂兼并型P型半导体，由于受主杂质的掺入（三价元素的杂质），多数载流子是空穴，费米能级进入半导体的价带。对于重掺杂兼并型N型半导体，由于施主杂质的掺入（五价元素的杂质），多数载流子是电子，费米能级进入半导体的导带。广东海洋大学理学院·光纤通信222020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理双兼并型半导体，是一种非热平衡状态下的情况，因而用两种费米能级Efc和Efv来表征载流子的统计分布。在价带中，载流子的统计分布与兼并型P型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型N型半导体的情况类似。因此，Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转的区域。若有一光波，光子能量满足Eghυ(Efc-Efv)，则这束光波经过双兼并型半导体时将被放大（光放大）。半导体激光器LD就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的特点。(d)双兼并型半导体EfEfcEfv广东海洋大学理学院·光纤通信232020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理三、PN结1.PN结的形成P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，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结界面的区域形成了一个带负电的区域；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。这样一来，载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区/结区。空间电荷区的电场方向由N区指向P区，这个电场称为“自建电场/内建电场”，与外加电场相反。内建电场在P型半导体中存在大量带正电的空穴，同时还存在着等量的带负电的电离受主，它们的电性相互抵消而表现出电中性。在N型半导体中存在大量带负电的电子，同时还存在着等量的带正电的电离施主，它们的电性相互抵消而表现出电中性。广东海洋大学理学院·光纤通信242020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理自建电场逐渐加强，直到漂移运动（自建电场引起）完全抵消了扩散运动，从而使PN结达到动态平衡状态（热平衡状态），客观上没有电流通过。2.PN结的能带（热平衡状态）由于一个热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求原来在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平。在走向热平衡状态的过程中，费米能级趋向同一高度，如果N区的能级位置不变，那么P区的能级应该提高，从而使PN结的能带发生倾斜弯曲。PN结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。广东海洋大学理学院·光纤通信252020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理广东海洋大学理学院·光纤通信262020年2月23日星期日§4-2半导体光源的工作原理在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差/PN结的势垒高度，