光发射机与光接收机

能满足上述基本要求的光源是半导体光源。
最常用的光源
半导体激光器(LD)
中、长距离
大容量(高码速)系统
半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统
模拟系统。
Βιβλιοθήκη Baidu 10.1.1 激光二极管（LD）
1．基本结构
激光二极管的基本结构框图
2．LD的工作原理
（1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价
小。
InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗
异质结LD结构示意图
半导体光源的发光机理
半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。
如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会 以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡 频率f之间的关系为
电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒
子数反转状态。
（3）PN结的能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循
费米（Fermi）分布，即
P(E)
1
1exp[(EEf)/kBT]
在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大 多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产 生放大作用。
3．LD的类型结构 （1）同质结LD
由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结 LD。
例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。
GaAs同质结LD结构示意图
（2）异质结LD
由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质 结LD，后者称为多异质结LD。
例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。
10.1.2
在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能 转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤中。 光源是光纤 通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系 统的类型和性能。 光源的种类及特性见表10.1。
表10.1 光源的种类及特性
在这种情况下， 各个光子在时间上及方向上都不相同，这种 光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。 其发光机理如图 10.1 所示。
图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射
另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得 的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面 垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施 加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光 子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的 反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复 合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产 生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流 足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈 作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明 的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。
第10章 光发射机与光接收机
10.1 光源 10.2 光发射机 10.3 光电检测器 10.4 光接收机 10.5 光电集成器件与电路
10.1 光源 光源的作用——把要传输的电信号转换成光信号发射去。 一、对光源的基本要求 (1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高
Eg=hf
(10.1)
式中，h为普朗克常数(h=6.626×10-34 J·s)。
半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材 料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区 的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与 空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带 而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。
在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量 而跃迁到高能级上 。
在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三
种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概
率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正 比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。
所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的
（4）电激励 其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价
带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。 （5）光学谐振腔
前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光 学谐振腔。
其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形 成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射， 使放出的光子数目雪崩式地增加。
光子能量E和波长λ之间的变换关系如下：
E(eV)1.2398m
(10.2)
例如, 砷化镓半导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极 管的辐射波长λ=1.2398/1.36=0.91μm。该波长处于近红外区， 在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长 波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的 有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的 有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。
带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度
Eg=Ec-Ev 在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数 目NC，即NVNC。
半导体材料电子能级示意图
（2）半导体材料中电子能态的变化
① 自发辐射
发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干 光。 ② 受激辐射
发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子 相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。 ③ 受激吸收