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第五章 光源与光发送机 目 录 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的能带 5.1.2光与物质的相互作用 5.1.3粒子数反转分布状态 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 5.2.2激光二极管的工作原理 5.3光源的工作特性 5.3.1LED的工作特性 5.3.2LD的工作特性 5.3.3光源的主要技术指标及简易检测 5.4光发送机 5.4.1光调制原理 5.4.2光发送机的构成及指标 5.5驱动电路和辅助电路 5.5.1驱动电路 5.5.2辅助电路 概 述 光源 从光纤通信的意义上来说，将在近红外光谱附近产生电磁场能的发生器 称为光源。光源是光发送机的核心器件。通过光源器件，可以将调制信 号变换成已调制信号；简单地说，就是借助光源完成电信号到光信号的 变换。 半导体光源器件 由于半导体器件具有体积小、重量轻、效率高及耗电少等特点，现代光 纤通信系统均使用半导体光源器件。 光源的两种类型 实际应用中有两种半导体光源，分别是：半导体发光二极管(或简称为发 光管)和半导体激光二极管(或简称为激光管或激光器)。 光发送机 为了实现光的调制或电光变换，在实际系统中总是将光源、驱动电路及 其辅助电路构成一体，形成所谓的光发送机。 本章内容 光源结构、基本工作原理及其工作特性；光调制的基本原理、光发送机的 构成、光发送机的工作原理及光发送机的主要技术指标。 半导体光源的物理基础 孤立原子的能级和半导体的能带 1.孤立原子的能级 定义：围绕原子核旋转的电子的能量只能取特定的离散值，这些离散值 称为孤立原子的能级，这种现象称为电子能量的量子化。 2.半导体的能带 能带：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。 导带：半导体内部自由运动的电子所填充的能带称为导带。 价带：价电子所填充的能带称为价带。 禁带：导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带。用 表示，单 位为电子伏特(eV)。 半导体光源的物理基础 光与物质的相互作用 光可以被物质材料吸收，物质材料也可以发光。光的吸收和发射与物质 材料内部能量状态的变化有关。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯 坦指出存在三种基本过程：自发辐射、受激辐射及受激吸收。 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(半导体的导带 能级)运动(跃迁)到低能级(半导体的价带能级)与空穴复合，同时释放出一 个光子。由于不需要外部激励，所以称为自发辐射。 是半导体发光二极管的工作原理； 辐射光子的频率、相位及方向是随机的，具有较宽的光谱范围； 自发辐射的能量为： 式中：为普朗克常数，其值为 J.S； 为光子的频率； 为高能级 能量；为低能级能量。 半导体光源的物理基础 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。 是半导体激光二极管的工作原理； 辐射光子的频率、相位及方向与外来光子相同，因此光谱范围较窄； 能量变化公式与1中自发辐射相同； 3.受激吸收 在外来光子的激励下，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。这种过程称为受激吸收。 是半导体光电检测器的工作原理； 能量变化公式与1中自发辐射相同； 4.小结 实际物质中，三种现象有可能同时存在，为了使物质材料成为发光物质 (光源)，就应该使自发辐射或受激辐射占据优势。同样，为了构成光电检 测器，就应该使受激吸收占据优势。 半导体光源的物理基础 粒子数反转分布状态 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的电子数。一般地 我们将这种粒子数的分布状态称之为粒子数正常分布状态。 2.粒子数反转分布状态 要物质内部的自发辐射和/或受激辐射占据优势，就必须是高能级上的电 子数多于低能级上的电子数，这种现象称为粒子数反转分布状态。 3.实现粒子数反转分布的方法 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。在半导体光源器件中，通常是利用外加适当 的正向电压来实现粒子数反转分布状态的。 半导体光源的工作原理 发光二极管的工作原理 半导体发光二极管(Light-emitting Diode,LED)基本用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0.85um、 1.31um、1.55um。在PN结构上，使用最多