第三章 光端机

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1、1第三章 光源的调制3.1 光源光源 3.1.1 基础知识基础知识 3.1.2 激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 3.1.3.半导体激光器半导体激光器3.2光源的调制光源的调制 3.2.1 光源的内调制光源的内调制 3.2.2光源的外调制光源的外调制3.3光纤通信中的线路码型光纤通信中的线路码型 3.3.1研究传输码型的必要性研究传输码型的必要性 3.3.2选择码型应满足的主要要求选择码型应满足的主要要求 3.3.3光纤通信中常用码型光纤通信中常用码型3.4光发射机光发射机 3.4.1 对光发射机的要求对光发射机的要求 3.4.2 光发射机的组成方框图及各部光发射机的组成方框图及各部分

2、的功能分的功能2第三章 光源的调制35光检测器光检测器 3.5.1半导体的光电效应半导体的光电效应 3.5.2PIN光电二极管光电二极管 3.5.3雪崩光电二极管雪崩光电二极管 3.5.4光电检测器的特性光电检测器的特性3.6 光接收机光接收机 3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成数字光纤通信接收机的基本组成 3.6.2 光接收机的指标光接收机的指标灵敏度和动态范围灵敏度和动态范围 3.6.3 光接收机的噪声光接收机的噪声3.7 光发射机设计光发射机设计 3.7.1 驱动电路驱动电路 3.7.2 可靠性可靠性 3.7.3 光频稳定及其控制光频稳定及其控制 3.7.4 光频稳定及其控制光频稳定

3、及其控制 3.7.5 反向冲击电流保护反向冲击电流保护3半导体激器气体激光器固体激光器二氧化碳激光器4 由物理学知识知道，物质是由原子构成的，原子又是由原子核及其外围电子来构成，而电子围绕原子核运动只能有某些一定的不连续的轨道。由于沿每个轨道运行时就有一定相应的能量，这些分立的能量值就称为能级。 半导体中的电子虽然是作无规则运动，但是，从量子统计学观点来看，电子在不同能级上占据的几率f(E)还是有规律的，他们服从费米-狄拉克统计分布规律。 1 光子与光波光子与光波 经过近百年的研究（而且，至今仍在研究），人们认为光的一个基本性质是它既有波动性又有粒子性。一个光子的能量E与光波频率f之间的关系是

4、E=hf式中，h=6.62610-34Js(焦秒)，称为普朗克常量。2 能级、费米能级、费米-狄拉克统计分布和狄拉克统计分布和费米能级费米能级5即式中，f（E） 能量为E的能级被一个电子占据的几率； E 某一能级的能量值； k 玻耳兹曼常数，k=1.3810-23J/K(焦耳/开)； T 绝对温度； Ef 费米能级， kTEEreEf/ )(1163 光的辐射跃迁和吸收跃迁 研究指出，光与物质间可以存在如下三种互相作用关系。（1）自发辐射 物质原子中的电子在没有外界影响（激发）下，高能级E 上的电子，由于不稳定，自发地向低能级E 跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这就称为自发辐射。自发辐射

5、的特点是：所发光的频率、相位、偏振（又称极化方向）都不相同，是非相干光。之所以有这种特点，原因是产生辐射是自发的，因而造成频率、相位、偏振方向都是随机的。 7受激吸收 处在低能级E 上的电子，当受到外来光的照射，如前所述，光是具有能量的（E=hf），低能级上的电子吸收了光子的能量，从低能级E 跃迁到高能级E 上。这种因受激而吸收光的过程称为受激吸收。对于希望产生激光这个目的来说，受激吸收就是一种相反的过程。8受激辐射 高能级E 上的电子，当受到频率为的光激发时，从高能级E2跃迁回到对应的低能级E 上并发出频率为f= 的光。这种过程就称为受激辐射，其特点是： 受激辐射的发光过程不是自发的，而是受

6、到外来光激发引的。 从以上两式可知，受激辐射所发的光，它的频率与激发光的频率相同。hEE1294 粒子数反转分布粒子数反转分布 当外界向某个物质提供了能量，就会使得低能级上的电子，由于获得了能量而大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上一样。从而达到高能级上的粒子（电子）数N2大于低能级上的粒子（电子）数N1的分布状态。这种分布状态成为反转分布状态。101 激光器的构成及激光的产生激光器的构成及激光的产生 激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源。它是利用受激辐射原理，并采取一定措施在某个方向上获得很强的指向性、极高的光强、极好的相干性的一种光源。它的实现要

7、求： 第一. 要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。 第二. 需要一个能保证粒子反转分布的激励能源泵浦源。 第三. 加一个光学谐振腔。 要产生激光还应满足如下两个方面的条件: 光的增益和损耗间应满足平衡的条件阀值条件; 在谐振腔中,光波往复反射能得到加强,从而能够存在,应满足的条件相位平衡条件. 激光，英文的缩写是Laser, 即Light Amplification by Emission of Radiation,其意思是通过辐射的受激发射实现光波放大。112 激光器的阀值条件和相位平衡条件激光器的阀值条件和相位平衡条件 在激光器的工作过程中,除了具有上面所说的放大作用,光波还会受到其他

8、损耗.将增益和损耗结合起来考虑,显然,只有当光波在谐振腔内往返一次放大得到的光能密度大于或等于损失的光能密度,激光器才能建立起稳定的激光输出.将上述两者相等的这种关系称为阀值条件 这表明了激光器能够起振(刚开始产生激光)时,激光器小信号增益系数G0必须满足的一个下限值. 按照物理学中谐振的理论,只有那些经过往返一周回到原来位置时,光波的相位与初始发生的波的相位同相的光波才能因彼此加强(即谐振)而在谐振腔中 存在.不满足这种谐振关系的光波则因得不到彼此加强,最后因腔内的损耗而消失. 这就是满足相位平衡条件时,激光器中存在光波的频率.12 所谓本征半导体就是指没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想半导体

9、,半导体的能级不是分立的而是一个能带.电子填充能带遵守两个基本原理: 一.在确定的能级上最多只能填充自旋方向相反的两个电子; 二.电子总是力图占据能量最低的能带.要使半导体材料产生激光,必然要使P-N结处在粒子数反转分布状态。 掺杂就是向本征半导体材料掺入杂质元素.如果N型半导体材料是重掺杂的,它提供的电子数多,高能级的电子就相应的多,它的能带图中费米能级EfN就高,而且一直伸入到导带中.P型材料重掺杂情况相应的费米能级EfP必定较低,而且一直低到P型材料能带图中的介带之中. 13 当这种N型和P型重掺杂半导体材料形成P-N结后能带分布发生的变化如下:N型材料中的电子向P型材料中扩散;P型材料

10、中的空穴向N型材料扩散.由于空间电荷区的存在,出现了一个N指向P(即由正指向负)的一个电场,称为内建电场.最后,扩散和漂移作用达到动态平衡,使通过边界的净电流等于零.由于内建电场的出现,使P区的电子电位能相对于N区的电子电位能抬高. 14 外加的正偏压使图(b)中P的电子电位降低,使N的电子电位提高.随着注入载流子的不同,在P-N结出现了两个费米能级.在P-N结区同一块材料上就出现了高能级粒子多,低能级粒子少的分布状况. 外加的正偏压使图(b)中P的电子电位降低,使N的电子电位提高.随着注入载流子的不同,在P-N结出现了两个费米能级.在P-N结区同一块材料上就出现了高能级粒子多,低能级粒子少的

11、分布状况.15 以上是早期研制的激光器,它的缺点是对光波和载流子的限制不完善,从而使激光器需要的阀值电流大.为了克服上述缺点,人们研制了一种称为单异质结激光器和双异质结激光器的半导体激光器,简称为异质激光器. 所谓异质结就是用两种材料构成的P-N结.例如,一种材料是GaAs,另一种材料是GaAlAs.它是在同质结的基础上,加了一层异质结材料GaAlAs,这一层的作用可以从两个方面来分析. 增加了位垒,对载流子进行了限制. 在界面上出现了n(折射率)的突变,限制了光波. 双异质结激光器是在单异质结激光器的基础上再做改进的一种激光器,它在单异质结激光器有源区P-GaAs的左侧加了一块异质材料N-G