電子工業出版礻 第3章光源和光发射机 口激光二极管 口发光二极管 口光发射机 口外调制器
第3章 光源和光发射机 激光二极管 发光二极管 光发射机 外调制器
回電子工業出版社 光源可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件, 它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二 极管(LED)和半导体激光二极管(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调 制、驱动和光发射机进行介绍,并给出了它们的技术指标 采用直接调制有两个缺点:带宽受LD振荡频率限制、啁啾现象。要用外调制 解决这些问题。 知识要点 器件结构 LD、LED发光机理 LD、LED特性 光源与光纤的耦合 电信号对光信号的调制 发射机结构、参数 外调制器工作原理
光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件， 它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二 极管(LED)和半导体激光二极管(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调 制、驱动和光发射机进行介绍，并给出了它们的技术指标。 采用直接调制有两个缺点：带宽受LD振荡频率限制、啁啾现象。要用外调制 解决这些问题。 知识要点： 器件结构 LD、LED发光机理 LD、LED特性 光源与光纤的耦合 电信号对光信号的调制 发射机结构、参数 外调制器工作原理
電子工業出版礻 3.1激光二极管 Publishing House of Electronics Inoustry 3.1.1工作原理 1.发光机理 制作LD的材料是半导体晶体。晶体中,原子核外的电子运动轨道因相邻原子的 共有化运动要发生不同程度的重叠,在如图3.1.1所示,电子已经不属于某个原 子所有,它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动,也就是说,原来的能级已经 转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带,次外层的能带称为价带, 它们之间的间隔内没有电子存在,这个区间称为禁带 共有化态一能带 原子轨道 图31.1晶体中的能级 合>p
3.1 激光二极管 3.1.1工作原理 1. 发光机理 制作LD的材料是半导体晶体。晶体中，原子核外的电子运动轨道因相邻原子的 共有化运动要发生不同程度的重叠，在如图3.1.1所示，电子已经不属于某个原 子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，也就是说，原来的能级已经 转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带， 它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。 图3.1.1 晶体中的能级 原子轨道 导带 禁带 价带 原子能级 共有化态－能带
我们在第1章已经说明了LD是基于受激发射的原理工作的,实际重激光A社 器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个:一是半导体导带 和价带都是由许多能级组成的,它们所具备的能量有微小差别;二是半导体的能 带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大,使得禁带宽度有微小的变化,所以用 (1.12b)式计算出的波长是有一定的范围的量 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的, 依照禁带的形状,可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种,如图3.1.2所示 直接带隙材料中,导带最小能级和价带最大能级有相同的动量,电子是垂直跃迁 的,发光效率高,见图(a);间接带隙材料中,要完成电子的跃迁,必须有其 它粒子的参与以保持动量守恒,在图(b)中,说明了能量为Ep、动量为kp粒子 的参与过程。只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件,这类材料有GaAs、 AlGaAs、InP和 In gaAsP等。 a)直接 (b)间接 (a)直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量(b)间接带隙Ep 图312直接带隙和间接带隙 合>p
我们在第1章已经说明了LD是基于受激发射的原理工作的，实际上，半导体激光 器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个：一是半导体导带 和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量有微小差别；二是半导体的能 带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化，所以用 （1.1.2b）式计算出的波长是有一定的范围的量。 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的， 依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种，如图3.1.2所示。 直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁 的，发光效率高，见图（a）；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其 它粒子的参与以保持动量守恒，在图（b）中，说明了能量为Ep、动量为kp粒子 的参与过程。只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、 AlGaAs、InP和InGaAsP等。 （a） 直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b） 间接带隙Ep 图3.1.2 直接带隙和间接带隙 • 电 子 跃 迁 • 导 带 • 禁 带 • 价 带 • 动 量 • （a ） 直接 带隙 • k p • 电 子 跃 迁 • 导 带 • 禁 带 • 价 带 • 动 量 • （b） 间接 带隙 • E p
電子工掌 出版社 不同的半导体材料有着不同的禁带宽度,发射光的波长不同表3+为常 用半导体材料的禁带宽度(带隙)及发光波长。 材料名称 分干忒 发光被长范A(m)带欧能量F( 萨化铟 h 092 1.35 婶化铟 nAs 3.6 0.34 萨化家 0.5 婶化 GaAs 0.87 1424 伸化侣 AlAs 0.59 2.09 萨化铟塚 Gainp 0.64-068 182-194 婶化综侣 AlGaAs 0.8-09 141.5 婶化像售 inGaAs 1.0-1.3 095-1.24 砷化铟镓 ingAasp 0.9.1.7 0.731.35 合>p
不同的半导体材料有着不同的禁带宽度，发射光的波长不同。表3.1为常 用半导体材料的禁带宽度（带隙）及发光波长