光通信原理与技术第4章1课件

特点： 发射光子的频率为：v ( E1 E2 ) / h E g=E2-E1 h=E2-E1 无外界作用，自发光跃迁； 独立、自发发射，非相干光 典型应用：发光二极管
受激吸收
E2 h = E2-E1 E1 E1 E2
特点： 外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差； 消耗外来光能，产生电子－空穴对。 典型应用：光电二极管
激射的一般基本条件
光在空间中传播的时候主要表现出波动性；当光 与物质相互作用是，表现出粒子性。
光的波动性：解释光的传输特性 光量子学说：1905年，由爱因斯坦提出。认为光是 由光子组成的
E hv
E：光子能量 H：是普朗克常量
v：是波的频率
携带信息的光波，所具有的能量是E的整数倍。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被 吸收或者释放的 。
光通信原理与技术
光源和光发送机
李玉权、朱勇、王江平编著

物质与光之间的互作用 半导体激光器 半导体发光二极管 光源的调制原理 线路码型 光发送机
光通信对光源的要求 发射光波长适中 光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰 耗的0.85μm、1.31μm和1.55μm 附近。 发射光功率足够大 光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤 光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦 以上更好。在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯 的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意 义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足 10 微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦 合效率。
半导体光源： 分类：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED) 半导体光源的优点： 体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性 易择波：半导体光源的物理基础决定了只要选择合适的 光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光 源器件； 易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱 宽度； 易调制：改变注入电流就可以改变输出光强，能够直接 进行强度调制； 易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较 高的耦合效率
温度特性好 光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大 小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度 下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常需 要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一 些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施。 发光谱宽窄 光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。 因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的 传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于长距 离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度 应该 小于2nm。
K为波兹曼常数 T为热力学温度 Ef为费米能级，描述半导体中各能级被电子占据的状态 在费米能级，各能级被电子和被空穴占据的概率相同
势垒
Ef
零偏压时PN结的能带图
正向偏压下PN结的能带图
半导体激光器
基本原理 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通 过向PN结注入正向电流，当注入电流达到一定的阈值 后，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振 腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。实现粒子数 反转分布的区域被称为有源区，半导体激光器的光激射 就发生在这个区域
LD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱线窄 LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低 LED的缺点：谱线宽度宽，调制速率较低，与光纤的耦 合效率低
LD适用于长距离、大容量的传输系统 LED适用于短距离、小容量的传输系统
物质与光之间的互作用
光的波粒二象性 光既是一种电磁波又是一种粒子流，对光的波动 和粒子的双重性质称为波一粒二象性。
受激辐射
E2 h = E2-E1 E1 E1 E2 h = E2-E1
特点：外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的 光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。 典型应用：半导体激光器
光的吸收和放大
吸收状态 设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上 的电子密度为N2 ，当N2＜N1时，受激吸收过程占主导 地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸 收
把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带， 而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为 导带
禁带 不能为电子所占据的能 量状态。 禁带的宽度又称为带隙 能量
Eg
源自文库
光与物质相互作用的基本过程 自发辐射、受激吸收和受激辐射
自发辐射
E2 E1 E2 E1 h=E2-E1
原子的能级和半导体的能带
原子的能级
原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成； 原子中的电子只能在一定的量子态中运动 ； 轨道越高， 能量也越高 当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确 定的能量，称为原子的一个能级 能 量 E E4 E3 E2 E1
晶体的能带
晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不 同而分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有 一定宽度的带，称为能带。

工作寿命长 光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光 源器件的工作寿命越长越好。光源器件寿命的终结并不 是我们所想象的完全损坏，而是其发光功率降低到初始 值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。 目前工作寿命近百万小时（约100 年）的半导体激光 器已经商用化。 体积小重量轻 光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这 些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻。
放大状态 若媒质中N2＞N1 ，则受激辐射占主导地位，光波经 过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。 N2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情 况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外 界的泵浦才能实现
粒子反转分布
根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被 电子占据的概率为费米分布 1 p( E ) E Ef 1 exp( ) kT