《光纤通信系统》课件_5第三章（1）光源.pptVIP

*光纤通信系统**光纤通信系统**光纤通信系统**光纤通信系统*LD直接数字调制原理示意*光纤通信系统*LD模拟调制原理示意*光纤通信系统*LED直接数字调制原理示意*光纤通信系统*LED模拟调制原理示意光纤通信系统第三章光源与光发送机(1)*光纤通信系统*问题的提出光纤通信系统中利用什么来携带信息?光纤通信系统中需要什么样的光源?*光纤通信系统*激光二极管LD发光二极管LED半导体光源的物理基础光纤通信对光源的要求本节内容*光纤通信系统*光纤通信系统对光源的要求合适的发光波长；足够的输出功率；光谱宽度窄；温度特性好；可靠性高、寿命长；体积小，重量轻；输出效率高；聚光性好；调制方便；价格低廉。*光纤通信系统*半导体光源的物理基础光子与光波；原子的内能与能级；普朗克公式；光的吸收与辐射；半导体光源。*光纤通信系统*光的辐射和吸收 爱因斯坦的量子理论指出：光与物质相互作用时将发生自发辐射、受激辐射和受激吸收。*光纤通信系统* 在正常情况下，系统处在低能级上。hν=E1-E2的入射光子被吸收，原子将由低能级E1向高能级E2跃迁，这一过程称为受激吸收。受激吸收*光纤通信系统* 由于位于高能级E2的原子是不稳定的，将自发地向低能级跃迁，并释放出能量为hν=E1-E2的光子，这种辐射称为自发辐射。各个处于高能级的粒子都是自发的、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不同，所以自发辐射的频率范围很宽。自发辐射产生非相干光。自发辐射*光纤通信系统* 若原子原来处于高能级E2上，被能量为hv的光子激发，将向E1能级跃迁，并产生能量为hv的光子。两者同频，同相，同偏振，为相干光。这一辐射过程称为受激辐射。受激辐射*光纤通信系统*粒子数反转 受激吸收正比于E1能级的粒子数N1，受激辐射正比于E2能级的粒子数N2。 热平衡态下，N1?N2，受激吸收大于受激辐射，不能产生受激辐射光放大。 为了使物质以受激辐射为主，必须打破上述平衡，使N2?N1，即造成粒子反转。热平衡时,处于高能级的原子数总是低于处于低能级的原子数。*光纤通信系统*半导体光源 光纤通信中使用的光源均为半导体光源。半导体材料与其他材料（金属与绝缘体）不同，它具有能带结构而不是能级结构。半导体材料的能带分为导带、价带与禁带。电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光子而发光。半导体光源是由P型半导体材料和N型半导体材料制成，在两种材料的交界处形成了PN结。若在其两端加上正向偏置电压，则N区中的电子与P区中的空穴会流向PN结区并复合，复合时释放出能量等于禁带宽度的光子。*光纤通信系统*半导体光源中心辐射波长中心辐射波长由有源层的禁带宽度Eg决定：Eg=E2－E1=hν=hc/λλ=hc/Eg=1.24/Eg(ev)(μm)短波长半导体光源：GaAsAlEg=1.424～1.549ev，其发光波长在0.81～0.87μm范围内。长波长半导体光源材料：InGaAsPEg=0.75～1.24ev，其发光波长在1.0～1.65μm范围内。*光纤通信系统*发光二极管LED 发光二极管(LED)是低速、短距离光波系统中常用的光源，结构简单，是由GaAsAl类的P型材料和N型材料制成的一个正向偏置的PN结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光，属自发辐射发光。它所发的光是非相干光，具有较宽的谱宽(30-60nm)和较大的发射角(100°)。*光纤通信系统*LED组成 半导体发光二极管是一个PN结，它是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管是由N型半导体(掺杂微量Ⅴ族元素，如P、As、Sb)形成的N层和P型半导体(掺杂微量Ⅲ族元素，如Al、Ga、In)形成的P层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.1～0.2μm左右。*光纤通信系统*LED的发光机理 LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。*光纤通信系统*面发光二极管SLED