文档介绍：第3章通信用光器件
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本章内容
光源:半导体激光器和发光二极管
光电检测器:PIN和APD光电二极管
无源光器件:光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等
本章重点
半导体激光器和发光二极管的工作原理
光电检测器工作原理及其工作特性
无源光器件的功能及主要性能
本章难点
发光机理
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学****目的和要求
了解半导体激光器的物理基础
掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性
熟悉光源的驱动电路工作原理
掌握光电检测器的工作原理及特性
掌握无源光器件的功能及主要性能
了解光放大器的类型,掌握EDFA的基本结构及应用
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光源
光源器件:光纤通信设备的核心,其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。
光纤通信中常用的光源器件:
半导体激光器(LD):适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器,在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。
发光二极管(LED):适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统,或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。
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激光器的工作原理
半导体激光器:是向半导体P-N结注入电流,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振荡输出激光。
(1)光子的概念
光量子学说认为,光是由能量为hf 的光量子组成的,其中h=×10−34 J·s(焦耳·秒),称为普朗克常数,f 是光波频率,人们将这些光量子称为光子。
当光与物相互作用时,光子的能量作为一个整体被吸收或发射。
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(2)原子能级
物质是由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。
最低的能级E1 称为基态,能量比基态大的所有其他能级E i(i=2,3,4,…)都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时,其能级间的能量差为∆E =E2−E1,并以光子的形式释放出来,这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式:
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式中,h为普朗克常数,f 12 为吸收或辐射的光子频率。
当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的光照射时,该能量被吸收,使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象
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半导体的能带结构
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(3)光与物质的三种作用形式
光与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。
图3-1 能级和电子跃迁
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①在正常状态下,电子通常处于低能级(即基态)E1,在入射光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)E2,产生光电流,这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。
②处于高能级E2 上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
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