21世纪通信教材《光纤通信原理》PPT_第05章 光源与光发送机

第五章光源与光发送机 5,1半导体光源的物理基础 5,2半导体光源的工作原理 5.3光源的工作特性 5,4光发送机 5.5驷动电倍和就物电路 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

第五章 光源与光发送机 5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路

51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 1.孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的 电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不 能任意取值,只能取特定的离散值,这种 现象称为电子能量的量子化。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

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 1. 原子是由原子核和围绕原子核旋转的 电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不 能任意取值，只能取特定的离散值，这种 现象称为电子能量的量子化

2.半导体的能带 在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。 在图52中,半导体内部自由运动的电 子(简称自由电子)所填充的能带称为导带; 价电子所填充的能带称为价带;导带和价 带之间不允许电子填充,所以称为禁带 其宽度称为禁带宽度,用E表示,单位为 电子伏特(eV) 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

2. 在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。 在图5.2中，半导体内部自由运动的电 子(简称自由电子)所填充的能带称为导带； 价电子所填充的能带称为价带；导带和价 带之间不允许电子填充，所以称为禁带， 其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为 电子伏特(eV)

导带 导带底能量E 禁带 禁带宽度Eg 价带 价带顶能量E (a)半导体的导带、价带及禁带 (b)半导体的能带简图 图52半导体的能带结构 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

图5.2 半导体的能带结构

5.12光与物质的相互作用 1.自发分 处于高能级的电子状态是不稳定的, 它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多 是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低 能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个 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,所以该过程称为自 发辐射。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

5.1.2 1. 处于高能级的电子状态是不稳定的， 它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多 是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低 能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个 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，所以该过程称为自 发辐射

根据能量守恒定律,自发辐射光子的 能量为: hvi2-E2-EI 式中:h为普朗克常数,其值为 6626×1034Js;V12为光子的频率;E2为高 能级能量;E1为低能级能量。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

根据能量守恒定律，自发辐射光子的 hν12=E2 -E1 式中： h 为 普 朗 克 常 数 ， 其值为 6.626×10-34J·s；ν12为光子的频率；E2为高 能级能量；E1为低能级能量

2.受激辐身 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,同时释放出 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 3.受激圾做 在外来光子激励下,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。 人民邮电出版法一点南此处结束放映 4合

2. 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，同时释放出一 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。 3. 在外来光子激励下，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

51.3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 要少于低能级上电子数。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

5.1.3 1. 在热平衡状态下，高能级上的电子数 要少于低能级上电子数

2.粒子数反转分布状态 为了使物质发光,就必须使其内部的 自发辐射和或受激辐射几率大于受激吸收 的几率,这一点我们已经在介绍光与物质 的相互作用过程中提及过 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。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

2. 为了使物质发光，就必须使其内部的 自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收 的几率，这一点我们已经在介绍光与物质 的相互作用过程中提及过。 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

52半导体光源的工作原理 5.2,1发光二极管的工作原理 半导体发光二极管( Light- emitting Diode,LED)基本应用 GaAlas和 IIn gaasp 材料,可以覆盖整个光纤通信系统使用波 长范围,典型值为0.85m、131m及 1.55um。 人民邮电版社 点专此处结束放殃 4合

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 半 导 体 发 光 二 极 管 ( Light-emitting Diode，LED)基本应用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 . 8 5 μm、1.31μm及 1.55μm