光纤通信原理_第五章_光源与光发送机.pdf
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第五章 光源与光发送机
第五章 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
5.1 半导体光源的物理基础
5.1 半导体光源的物理基础
5.1.1 孤立原子的能级和半导体
5.1.1 孤立原子的能级和半导体
的能带
的能带
1. 孤立原子的能级
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。
2. 半导体的能带
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E 表示,单位为
g
电子伏特(eV) 。
图5.2 半导体的能带结构
5.1.2 光与物质的相互作用
5.1.2 光与物质的相互作用
1. 自发辐射
1. 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。
根据能量守恒定律,自发辐射光子的
能量为:
h ν =E -E
12 2 1
式中:h 为普朗克常数,其值为
6.626 ×10-34J·s ;ν 为光子的频率;E 为
12 2
高能级能量;E1为低能级能量。
2. 受激辐射
2. 受激辐射
在外来光子的激励下,电子从高能级
跃迁到低能级与空穴复合,同时释放出一
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。
3. 受激吸收
3. 受激吸收
在外来光子激励下,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。
5.1.3 粒子数反转分布状态
5.1.3 粒子数反转分布状态
1. 粒子数正常分布状态
1. 粒子数正常分布状态
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。
2. 粒子数反转分布状态
2. 粒子数反转分布状态
为了使物质发光,就必须使其内部的
自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收
的几率,这一点我们已经在介绍光与物质
的相互作用过程中提及过。
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。
5.2 半导体光源的工作原理
5.2 半导体光源的工作原理
5.2.1 发光二极管的工作原理
5.2.1 发光二极管的工作原理
半导体发光二极管( Light-emitting
Diode ,LED)基本应用GaAlAs和InGaAsP
材料,可以覆盖整个光纤通信系统使用波
长范围,典型值为0.85 μm、1.31 μm 及
1.55 μm 。
1. 发光二极管的类型结构
1. 发光二极管的类型结构
按照器件输出光的方式,可以将发光
二极管分为三种类型结构:表面发光二极
管、边发光二极管及超辐射发光二极管
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