繼電保護光纖通道

1、繼電保護光纖通道第1頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 第一節(jié) 光纖通訊的發(fā)展簡史 光波是波長極短的電磁波。因此，科學家早已斷定利用光波進行通訊在理論上是可行的，也是人們長期以來夢寐以求的。光波的頻率在31014以上，用這樣高頻率的波作為載波，可獲得比現(xiàn)有通訊方式大萬倍的通訊容量，又不受一般的電磁干擾，因而是一種理想的傳輸介質。但是如何使光波沿著預定的通道長距離傳輸卻是一個極難的問題。只有當激光和光導纖維問世之后，才使這一難題的解決成為可能。第2頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 利用光纖作為光的傳輸介質的研究工作經(jīng)歷了約30年的時間，早在195

2、0年國外就有人開始了光在光纖中傳輸?shù)睦碚撗芯俊?951年出現(xiàn)了用于醫(yī)療的光導纖維。但由于那時的光纖中光的傳輸衰耗太大，故不能用于一定距離的光通訊。1966年，英籍華人高錕博士揭示了制成衰耗低于20dB/km光纖的可能性。而當時世界上最優(yōu)良的光學玻璃衰耗在1000dB/km左右。因而這個預見未被普通相信和重視。只有美國貝爾實驗室主席Iam Ross和英國電信研究所（BTRL，BPO）的領導人對此極感興趣，遂與美國康寧玻璃公司合作研制。至1970年該公司的Maurer等人首先制成了衰耗為20dB/km的光纖，取得了重大突破。高錕博士指出，降低玻璃內(nèi)的過渡金屬雜質離子是降低光纖衰耗的主要途徑。沿此途

3、徑，在1974年光纖衰耗已降低到2dB/km。另外，玻璃內(nèi)的OH離子也是造成衰耗的重要因素。解決此問題后，到1980年用于1.55m波長的光纖衰耗值已降低到0.2dB/km 第3頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三實現(xiàn)光纖通訊的另一重要問題是光源。60年代，光纖通訊的研究主要應用波長為0.85m附近的近紅外區(qū)。因此，當時主要研究GaAlAs(鎵鋁砷)半導體激光器。當時制成的這種激光器不能在室溫下運用，壽命很短。經(jīng)過長時間艱難的研究工作，到1970年Hayashi等人終于制成了能在室溫下連續(xù)運行的GaAlAs激光器。與此同時，1971年Burrus等人制成了GsAlAs發(fā)光

4、二極管（LED），其壽命長、價格低廉，但頻譜寬、速率低、功率小。80年代制成了適用于1.3m、1.55m的InGaAsP(銦鎵砷磷)長波長激光器和發(fā)光管，現(xiàn)已得到廣泛應用。第4頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三光接收器件也是光纖通訊必不可少的重要組成部分。隨著光纖的發(fā)展，及時地研制成功適用于短波長的Si-PIN管和Si-APD雪崩光電二極管及適用長波長的InGaAs或InP的PIN管和APD管，還有Ge-APD管等。1976年后，美國建成傳輸速率為44Mbit/s（每秒傳送44M位數(shù)字信號）、傳輸距離達到10km的商用光纖通訊線路。80年代，光纖通訊進入大規(guī)模發(fā)展階段。

5、目前世界上光纖通訊已被廣泛應用，全世界光纖用量每年約60007000萬km 。國際上565Mbit/s的高速光纖通訊系統(tǒng)（可傳送7680路雙向電話）已廣泛應用，2.4Gbit/s超高速系統(tǒng)也將投入運行。第5頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三我國早在70年代初就開展了光纖通訊的研究，70年代末已經(jīng)能制造用于1.3 m波長、衰耗為4dB/km的多模光纖，并能制造0.85 m波長的發(fā)光二極管和激光器。80年代初，研制成長波長多模光纖、長波長激光器和PIN-FET光電檢測組件，在武漢建立了市內(nèi)光纖線路。1991年，建成合肥至蕪湖的150km光纖線路。目前全國每年光纖用量約在55

6、0萬km以上。國產(chǎn)的光纖衰耗可低至0.34dB/km，年產(chǎn)量已超過100萬km。由此可見，我國光纖通訊的發(fā)展非常迅速，在電力系統(tǒng)中也得到廣泛應用。第6頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三第二節(jié) 光纖通訊的優(yōu)點和構成原理 光纖通訊與其他通訊方式比較有很多優(yōu)點，對應用于電力系統(tǒng)而言，主要有以下幾點。 （1）通訊容量大 隨著電力系統(tǒng)保護、控制、遠動技術的發(fā)展，需要愈來愈大的通訊容量。微波通道的通訊容量一般只有960路，而用光纜構成的光纖通道當用0.85m短波長時通訊容量可達1920路，當用1.55m長波長時通訊容量可達7680路。 （2）工作可靠 載波通道受雷電和電力系統(tǒng)操作產(chǎn)

7、生的電磁干擾很大，信號衰耗受天氣變化的影響很大，有時甚至不能工作。微波通道受電磁干擾較小，但在惡劣天氣條件下信號衰落很大。光纖通道不受電磁干擾，基本上不受天氣變化的影響，因此工作可靠性遠高于載波和微波通道。這對于電力系統(tǒng)特別重要。 第7頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖1示光纖通訊系統(tǒng)構成框圖，圖中示出了通道的一個傳輸方向。向反方向傳輸?shù)慕Y構與此完全相同。圖中發(fā)端的電端機是常規(guī)的通訊發(fā)送設備，用于對信息的信號進行處理，例如進行模數(shù)轉換，調制和多路復用等。發(fā)端的光端機內(nèi)有作為光源的激光器或發(fā)光器或發(fā)光二極管，其作用是將電信號調制到光信號上。然后將經(jīng)調制的光源輸入光纖，向

8、對端傳輸。光信號在傳輸途中要經(jīng)過多次中繼器的整形和放大，以恢復其形狀和強度，再向前傳輸。中繼器的間隔大約為5070km。中繼器的原理是用光檢測器將光信號變成電信號，經(jīng)過整形放大后，再變成光信號。在。收端正好相反。經(jīng)光纖傳來的光信號經(jīng)光檢測器后變成電信號，再經(jīng)收端電端機的解調，恢復成發(fā)端信號的形狀。圖1 光纖通訊系統(tǒng)構成框圖第8頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖1 光纖通訊系統(tǒng)構成框圖第9頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三第三節(jié) 光纖及其傳光原理一.光纖與光纜1. 光纖的構造 圖2為光纖橫截面示意圖。如圖所示，光纖由纖芯、包層、涂敷層和套塑四部分

9、組成。纖芯位于光纖的中心，是光傳輸?shù)闹饕緩?，其主要成分是高純度的二氧化硅，其純度要達到99.9999%，其余成分為摻入的雜質。 第10頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 常用的雜質有五氧化二磷（P2O5）和二氧化鍺（GeO2）。摻加此雜質的作用是提高纖芯的電介強度和折射率。纖芯的直徑2a一般在550m之間。包層也是摻加有少量雜質的高純度二氧化硅。包層所用的雜質為氟或硼，其作用是降低包層的電介強度和折射率。包層的直徑2b一般為125m。包層的外面涂敷一層很薄的環(huán)氧樹脂或硅橡膠，其作用是增加光纖的機械強度。涂敷層之外是用尼龍或聚乙烯作成的套塑，其作用也是加強光纖的機械強度

10、。第11頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖2 光纖橫截面示意圖第12頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三(a) (b) 圖3 階躍型(a)和漸變型(b)光纖的折射率沿橫截面的分布 第13頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 根據(jù)雜質在纖芯材料中的分布，光纖分階躍型和漸變型兩種。所謂階躍型光纖是指纖芯材料中雜質的分布是均勻的，因而在纖芯中各處電介常數(shù)和折射率也是均勻的、相同的，是一常數(shù)。但在纖芯與包層分界處，電介常數(shù)和折射率階躍式地突然減少。所謂漸變型光纖是指纖芯中雜質從軸線開始沿著半徑方向逐漸變化，因而纖芯材料中電介常數(shù)和折

11、射率也沿著半徑方向逐漸變化。圖3(a)和（b）分別表示這兩種光纖中折射率沿橫截面的分布。在這兩種光纖中光的傳輸方式是不同的，詳見后面。第14頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2. 光纜在實際應用中，將多根光纖集中在一起作成類似于電纜的光纜進行敷設，以保證不受外界的影響而損壞。 圖4表示一六芯光纜的橫截面。光纖圍繞一多股鋼絲繩排列。多股鋼絲繩的作用是增強光纜的機械強度。此外，為了保證中繼站之間的電信號聯(lián)系，有些情況下也為了給中繼站供電，在光纜中通常還敷設一對塑料包皮的銅導線。除了六芯光纜外，還有四芯，八芯的光纜等。 第15頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分

12、，星期三 圖4 六芯光纜橫截面示意圖象 第16頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三二. 光在光纖中的傳播1光的反射和折射 當光從一種介質入射到另一種介質時，由于光在兩種介質中傳播的速度不同，在兩種介質的分界面上要反射和折射。如果兩種介質材料成份都是均勻的，則其物理常數(shù)如導磁率和電介常數(shù)也必然是均勻的。 第17頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖5. 光在兩種介質分界面處的反射與折射第18頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三設用下標1和下標2分別表示兩種介質，其導磁率都等于空氣的導磁率，即 其電介常數(shù)分別為1和2，光在兩種介質中

13、傳播速度各為1= , 2= , 其對于光的折射率分別為： n1= n2= 第19頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三設光的入射角為1，反射角為1，折射角為2，如圖6所示，則根據(jù)斯奈爾（Snell）定律： (1) (1) 第20頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2. 光的全反射 如果上面所舉的兩種介質的折射率之間的關系為n1n2，則由式（1）知， 如果則可以發(fā)生 (2) 這是沒有意義的，這說明折射角大于90，亦即光不會進入介質2 ，而是全部反射回介質1。 第21頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三這種現(xiàn)象就是光的全反射。從式（1

14、）可見，產(chǎn)生全反射與否不但與n2/n1 有關,也與入射角 有關。設產(chǎn)生全反射的臨界入射角為 ，則應有 (2-3)第22頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三3。 光在光纖中的傳播 圖6（a）示光在階躍型光纖中傳播的情況。所謂階躍式是指在纖芯中和包層中光的折射率都是均勻分布的。包層的折射率n小于纖芯的折射率n。從纖芯到包層，在分界面上折射率突然減小。光通過光纖軸線斜射入光纖。當入射角大于等于臨界入射角時，產(chǎn)生全反射，光線不進入包層，完全在纖芯中沿著軸線方向曲折前進。實線和虛線代表不同的入射角時的傳播情況。 第23頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖6

15、（b）示光在漸變型光纖中的傳播情況。所謂漸變式是指在纖芯中從軸線沿著徑向方向折射率逐漸減小。由于在漸變型光纖中，纖芯中的折射率沿半徑方向逐漸變化，故光在行進中連續(xù)地產(chǎn)生折射，行進路徑呈曲線形狀。 第24頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖6 光在光纖中的傳播方式 （a）階躍型光纖中光的傳播（b）漸變型光纖中光的傳播 第25頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三4光纖的類型光纖有三種基本型式：(1)多模(折射率)階躍式，簡稱多模階躍式；(2)多模(折射率)漸變式，簡稱多模漸變式；(3)單模(折射率)階躍式，簡稱單模階躍式。 多模是指可傳送多束光線，單

16、模則指沿軸線傳送一束光線。在圖7（a)的多模光纖中所能傳輸?shù)墓馐鴶?shù)(模式)決定于纖芯的半徑和纖芯與包層折射率的差別。由多個光束組成的光脈沖在多模階躍式光纖中傳輸時，沿軸線傳輸?shù)墓馐鴤鬏數(shù)穆烦套疃?，因而傳輸所需的時間也最短。與軸線夾角愈大的光束在傳輸過程中反射的次數(shù)越多，經(jīng)過的路程越長，傳輸?shù)侥┒怂璧臅r間也越長，因而各光束到達終端的時間也不同，使得光脈沖變寬。第26頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 這種現(xiàn)象稱為光的色散，這就使得各光脈沖之間的間隔不能太小，免得互相銜接使脈沖丟失，使信號發(fā)生錯誤。因此，多模階躍式光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，只能用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，也常用于圖

17、像傳輸。這種光纖的優(yōu)點是直徑較大，機械強度較大，光源和光纖的對準比較容易。第27頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖7 光纖的類別和光的傳輸途徑示意 (a)多模階躍式；(b)多模漸變式；(c)單模階躍式第28頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三在圖7(b)中的多模漸變式光纖中，纖芯的折射率從軸線沿著徑向方向逐漸減小。光束沿著軸線傳輸?shù)木嚯x雖短，但速度較慢，距中心線越遠處光束的傳輸距離雖長但速度較快，這就部分地補償了由于路程不同而產(chǎn)生的時間差異，使光脈沖的變形減小。這種光纖用于中等距離、中等信號速率的數(shù)據(jù)傳輸。第29頁，共171頁，2022年，5月

18、20日，12點8分，星期三 圖7(c)的單模階躍式光纖的纖芯半徑較小，只傳輸沿中心線射入的一種光束，消除了色散現(xiàn)象，可用于遠距離高數(shù)據(jù)速率的傳輸。其缺點是光纖太細，機械強度較小，需要非常精密的光源與光纖的對準工具，這些問題目前都已圓滿解決。5光纜敷設的方法 光纜有五種敷設的方法：(1)包在架空地線的鋁絞線內(nèi)；(2)繞在輸電線導線上；(3)埋在沿線路的電纜溝中；(4)掛在輸電線導線或架空地線導線上；第30頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三(5)專門敷設平行于輸電線的架空光纜線路。上述五種敷設方法中，第一種方法最好，在國外已得到大量應用，在我國也已開始應用。當光纖通道用于5

19、070km以下的短距離輸電線，不需要中繼站，和導引線保護一樣，但沒有過電壓、電磁干擾等問題。目前，對光纖的降低衰耗、現(xiàn)場“焊接”、對正等技術和工具問題都已解決，故可用于任何長距離的輸電線，只是與微波保護一樣每經(jīng)過5070km需要設立一個中繼站。和載波和微波通道不同，光纖通信是單方向的，發(fā)送和接收各用一根光纖。因光纖通信容量很大，可與其他通信部門復用。 第31頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三三 光纖的損耗與色散 光在光纖中傳播時能量會愈來愈小，這是由于光纖引起的能量損耗所致。引起能量損耗的原因很多，但可歸結為吸收和散射兩大類，分別簡要說明如下。1. 光在光纖中的吸收損耗

20、 （1）. 光纖材料本身引起的吸收損耗 1) 紅外吸收損耗。石英玻璃（SiO2）是光纖的基礎材料。在波長9m、12.5m和21m處，其Si-O鍵發(fā)生振動而吸收一部分光能，從而造成損耗。這幾個波長都在紅外區(qū)域，故稱紅外吸收損耗。由于目前光纖的工作波長與這幾個振動波長的距離較遠，故紅外吸收損耗對光纖通訊影響不大;第32頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2）紫外吸收損耗。在光纖材料SiO2的原子中，一些處于低能級的電子會吸收紫光的一些能量而躍遷到高能級狀態(tài)，因而造成光能的損失。這種由于電子躍遷造成的損耗發(fā)生在波長為0.16m附近的紫外區(qū)域。因此，對常用的0.85m波長的光纖通

21、訊有一定的影響。 (2) 光纖材料中雜質造成的吸收損耗 雜質的吸收損耗主要是由于金屬離子和OH 根離子造成的。第33頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 1 ) 金屬離子造成的損耗。 在光纖材料雜質中可能有鐵、銅、釩、鎳、和鈷等金屬離子。這些金屬離子要吸收一些光能造成損耗，但是現(xiàn)代提純技術水平大大提高，使得金屬離子的吸收損耗已不重要; 2) OH-根離子造成的損耗。 在光纖加工過程中，不可避免的要有一些OH-根離子殘留于其中，OH-根離子的振動要產(chǎn)生光能損耗。OH-根振動的基波位于2.73m處，在此處吸收損耗量最大。這距離常用的波長較遠，無大影響。但其二次和三次諧波分別出

22、現(xiàn)在1.38m和0.95m。距常用的波長較近，有一定的影響。三次以上諧波的振動形成的吸收損耗很小，可以忽略不計。第34頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 3) 原子缺陷造成的吸收損耗。 原子缺陷造成的吸收損耗是在光纖材料受到某種激勵，例如熱激勵或強幅射激勵時，造成原子缺陷而吸收光能，稱為原子缺陷吸收損耗。目前在光纖制作時，已選用這種損耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷吸收損耗的影響已經(jīng)很小。 2. 光在光纖中的散射損耗太陽光穿過大氣時，遇到大氣的分子或微粒會發(fā)生散射而使天空變成蔚藍色。同樣，光在光纖中傳輸時遇到光纖微觀結構的不均勻性也會產(chǎn)生散射。 第35頁，共171頁，20

23、22年，5月20日，12點8分，星期三 制作光纖時，其玻璃材料在冷卻過程中，內(nèi)部會出現(xiàn)分子級的密度不均勻性，這種不均勻微粒的尺寸比光波波長還要小，光遇到這些不均勻的微粒就要發(fā)生散射，造成散射損耗，稱之為瑞利散射損耗。瑞利散射損耗與成正比。故波長增大時，瑞利散射損耗急劇減小。此外，在入射光很強時，還會發(fā)生受激散射，即布里淵受激散射和喇曼受激散射。因為這樣產(chǎn)生的散射光與入射光的波長不一樣，故稱為非線性散射。受激散射是一種受激現(xiàn)象，與其他受激現(xiàn)象一樣，它的產(chǎn)生有一定的閾值。研究表明，只有當入射到光纖中的光功率達到80 mW時，才會引起嚴重的非線性散射而造成非線性散射損耗。但光纖通訊中使用的半導體光源

24、能注入光纖的功率遠小于此數(shù)值，因此可以不考慮這種散射損耗。第36頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三3.光纖的幅射損耗以上所講的吸收損耗和散射損耗都是由于光纖材料本身的固有性質所引起的，故稱為本征損耗。除此而外，在光纖生產(chǎn)和敷設過程中還會產(chǎn)生一些附加的缺陷而造成損耗。例如纖芯的直徑和包層的尺寸的不均勻性，玻璃中殘留的氣泡、敷設時過大的彎曲等都會產(chǎn)生光的幅射。幅射光的一部分進入包層而引起幅射損耗。隨著現(xiàn)代光纖制作水平工藝的提高，幅射損耗已可減到最低水平。第37頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 4光纖中光能總損耗的譜特性與工作窗口上述各種損耗都與入射

25、光的波長有關?？倱p耗對波長的關系稱為總損耗的譜特性。如圖8所示?？梢钥吹?，在短波長范圍和長波長范圍有三個損耗相對較低的范圍：0.8 0.9m，1.21.3m，1.441.52m。這三個波長范圍一般用于光纖通訊，稱為三個工作窗口。第38頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖8 光纖總損耗的譜特性與工作窗口第39頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 5. 光纖的色散上面提到色散，下面再作一詳細說明。所謂色散是指利用光纖進行數(shù)字通訊時光脈沖被展寬的現(xiàn)象。光在光纖中傳輸時的色散現(xiàn)象如圖9所示。圖中示出光在階躍型光纖中傳播時脈沖被展寬的原因。 第40頁，共1

26、71頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖9 光在光纖中傳輸時的色散現(xiàn)象 （ a）脈沖展寬的原因; （b）入射角不同，波長、速度相同的兩束光和它們的合成脈沖； （c）色散示意圖第41頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖9（a）示以不同入射角射入光纖的兩束光1和2。設二光束的波長相同，因而在光纖中的傳播速度也相同。 圖9（b）示當二光束的入射角相同時它們各自的脈沖和合成脈沖。在此情況下沒有色散現(xiàn)象。但如果 二束光的入射角不同，因而反射角也不同，向前傳播的路程也不同。設光束1沿軸線方向射入，因而無反射地向前傳輸。而光束2以產(chǎn)生全反射的入射角射入，而按折線所示的路

27、徑向前傳輸。第42頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 由于光束2走的路程長于光束1所走的路程，故其到達末端的時間比光束1到達的時間晚，因而在輸出端兩個脈沖相加產(chǎn)生的合成脈沖比輸入端的合成脈沖寬。這種現(xiàn)象叫做色散，如圖9（c）所示。 由于色散現(xiàn)象存在，使得用在數(shù)字通訊時脈沖之間的間隔不能太小，亦即傳送速率不能太高，這限制了通訊容量的提高。此外，因色散造成的脈沖展寬程度與傳送距離有關，因此色散也限制了光纖通訊的距離。第43頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三第四節(jié) 光發(fā)訊機一 概述與高頻通道和微波通道相似，光纖通道是要將代表話音、控制命令、遙測數(shù)據(jù)或信

28、息的音頻信號或脈沖調制在一種光源上，通過光纖傳送到遠端。這就需要有光源、調制或編碼電路和相應的控制電路。這些電路構成光發(fā)信機，其框圖示于圖3-1。其主要器件是光源。由于光纖通道的傳輸介質是光纖，因而對于光源有一些特殊的要求：1.由于光纖芯徑很小，要求光源要有較小的發(fā)光面積，并且與光纖之間能夠很好耦合。第44頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2.光源發(fā)光的波長應在光纖通訊的三個低耗的工作窗口內(nèi)，即0.80.9、1.21.3、1.451.55m。3.由于光纖通道要傳送許多路高速脈沖信號，因此要求光源有足夠大的功率和很快的響應速度。4.作為電力系統(tǒng)的主要通訊系統(tǒng)，要求光源具有

29、很高的可靠性，對溫度等外界條件的變化不敏感。第45頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖10 光發(fā)訊機框圖第46頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三二 激光發(fā)生的原理 光纖通道的光源主要是半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）。為了解釋這種光源的工作原理，首先要了解半導體發(fā)光的機理，亦即光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射的過程。能級和能帶 物質中的原子由原子核和圍繞其旋轉的很多電子組成。每個電子都沿著一定的軌道旋轉，每個軌道代表著沿其旋轉的電子所具有的一定能量。根據(jù)量子力學的理論，電子的軌道不能是連續(xù)的，任意的，因此每個電子只能具有對應于所在軌道

30、的能量，其值也是不連續(xù)的，任意的，故稱為能級。第47頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 一個電子要從一個軌道躍遷到另一軌道，必須吸收或釋放兩個軌道能級之差的能量。其放出的能量常以光的形式輻射出來。圖11（a）（b）示一個孤立原子中電子的軌道和能級。最外層的電子稱為價電子，其數(shù)目決定了物質的原子價。 半導體中的原子按一定的規(guī)則排列，構成晶體。原子的最外層電子常為多個原子所共有，成為共價電子。由于各原子的互相影響。共價電子不可能只具有一個能級，而是可具有相差很小的許多能級，稱為能帶。價電子所具有的能帶稱為價帶，其最高能級用E1表示(電子帶負電荷其能量是負的, E1是的最大)

31、，如圖11（c）所示。第48頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 價帶中的電子受到外界能源，例如光或熱的激發(fā)，可以吸收一定的能量而脫離原子核的束縛而自由移動，亦即從價帶躍遷到導電帶，簡稱導帶。導帶中的電子在外加電場的作用下移動形成電流。 導帶的最小能級用E2或E表示，價帶的最高能級用E1或E表示.電子不能具有E1到E2之間的能級。此區(qū)域代表的能帶稱為禁帶。第49頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 禁帶的能量用EF表示，因此，要使電子從價帶躍遷到導帶必須吸收等于EF的能量。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，能級較低的電子有一定的概率躍遷到較高的能級。能級較高的電子也有

32、一定的概率躍遷到較低的能級。在某個能級之下，被電子占據(jù)的概率大于1/2，此能級稱為“費米能級” Ef如圖11（c）中虛線所示。 第50頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖11 電子的軌道、能級和能帶 （a）軌道；（b）能級；（c）能帶第51頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 2. 受激吸收 如圖12所示，當?shù)湍芗塃1上的一個電子受到一個具有 能量e=E1-E2的光子照射時，可能吸收此能量而躍遷到高能級E2上去。這個過程稱為光的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。設N1為處于能級 E1上的電子密度（單位體積的電子數(shù)），照射的光子頻率為 f21=(

33、E2- E1)/h , h=6.62617610-34JS， h為普朗克常數(shù)，設在E1能級上每個電子在單位時間內(nèi)能夠發(fā)生受激吸收的概率為W,在時間dt內(nèi)單位體積內(nèi)躍遷到高能級E2的電子數(shù)為dN12= W*N1dt則 W12= dN12 / N1dt (4)其值與溫度和照射光的頻率等因素有關。第52頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖12 電子的受激吸收和自發(fā)輻射（a）受激吸收 (b) 自發(fā)輻射第53頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 3.自發(fā)輻射 電子總是力圖占據(jù)較低的能級，因而在高能級E2上的電子是不穩(wěn)定的，總是力圖向低能級E1躍遷。這種躍遷

34、是自發(fā)的（非受激的）。電子在自發(fā)躍遷時以光的形式釋放出其多余的能量E2-E1，稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射光的頻率為 f21=（E2-E1）/ h (5)自發(fā)幅射 第54頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 自發(fā)幅射也有一定的概率A21，設位于能級E2上的電子數(shù)為N2，在dt時間內(nèi)單位體積中由E2自發(fā)躍遷到E1的電子數(shù)為 dN21=A21N2dt 即 A21= dN21/ N2 dt (6) 受激輻射 除了自發(fā)躍遷外，處于高能級E2上的電子受到光子照射時，也可以從E2躍遷到低能 級E1，同時輻射出頻率為f12的光子。這種輻射稱為受激輻射。與受激吸收相似，產(chǎn)生受激輻射也有一定的概

35、率W21，即 W21=dN21 / N2dt (7)第55頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三式中N2為處于能級E2的電子密度；dN12為dt時間內(nèi)產(chǎn)生受激輻射的電子數(shù)。受激輻射與自發(fā)輻射不同之處在于：自發(fā)輻射是電子獨立的從高能級E2向低能級E1躍遷時輻射的光。各電子自發(fā)輻射發(fā)出的光雖然頻率相同，但彼此無關，可以有不同的相位，并且可向所有方向傳播。而受激輻射的光子和激勵源的光子不僅頻率相同，而且相位和傳播方向也相同，亦即受激輻射的光是一種和入射光相干的光。在受激輻射過程中，如果激勵源光子的頻率 f與正好滿足 hf=E2-E1第56頁，共171頁，2022年，5月20日，1

36、2點8分，星期三 則處于高能級E2電子發(fā)生受激輻射，由E2躍遷到E1，又激勵E1上的電子發(fā)生受激吸收，由E1躍遷到E2。亦即受激吸收和受激輻射兩個過程同時發(fā)生，而且發(fā)生的概率相同。5.光的放大 對于一般的物質，在熱平衡狀態(tài)下處于低能級E1的電子數(shù)N1總是大于處于高能級E2的電子數(shù)N2，因而受激吸收占主導地位，稱為吸收媒質。光經(jīng)過吸收媒質時，其能量逐漸被吸收而光強減弱。第57頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 在一定的條件下，可使某些物質的高能級E2上的電子數(shù)N2大于低能級E1上的電子數(shù)N1。在這種情況下，光的受激輻射將占主導地位。在一個光子的激發(fā)下可使E2上的一個電子受

37、激輻射，產(chǎn)生另一個與入射光子的頻率、相位、傳播方向完全相同的光子。一個光子變成兩個光子。亦即光被放大。如果E2的電子數(shù)能從外界能源不斷供給，則這種放大可繼續(xù)維持下去。產(chǎn)生光放大的條件是使高能級上的電子數(shù)N2大于低能級上的電子數(shù)N1，這稱為電子數(shù)的反轉分布。第58頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三6. 光的諧振 與電子學中的振蕩器一樣，如果將被放大光的一部分作為正反饋來進行進一步放大，則可產(chǎn)生光的振蕩。圖13為光振蕩器示意圖，是由光的放大媒質與兩個反射鏡構成。后面的反射鏡對光進行全部反射，反射率為100%。前面的反射鏡有一小孔，可使被放大光的一部分通過小孔射出，形成激光光

38、束。其余被反射回去的部分光因而產(chǎn)生光的振蕩。從圖中可看出能夠被放大和產(chǎn)生振蕩的光只能是與諧振腔軸線平行的光。不平行的光將穿過諧振腔兩側面而逸出。因此經(jīng)過放大和振蕩而輸出的激光具有很強的方向性，能量非常集中，這是激光最大的特點。 第59頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖13 光振蕩器示意圖第60頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三三 半導體激光器（LD） 1. 半導體發(fā)光原理在N型半導體中，多數(shù)載流子電子的數(shù)目極多；而在P型半導體中，多數(shù)載流子空穴的數(shù)目極多。當將這兩種不同的半導體結合在一起時，N型半導體中的電子向P型半導體中擴散，P型半導體中的

39、空穴向N 型半導體中擴散，因而在兩種半導體結合處形成 了一個只有空間電荷沒有自由電荷的區(qū)域，叫做P-N結，兩種空間電荷之間出現(xiàn)一個靜電場，稱為自建電場，如圖14所示。第61頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖14 P-N結的空間電荷和自建電場 自建電場阻止了電子和空穴的進一步擴散，而達到了一種平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，由于自建電場的存在，PN兩種半導體之間出現(xiàn)了一個電位差VD，稱為勢壘，因而P型半導體中電子的能帶都比相應的N型半導體中電子的能帶高一個eVD值，如圖15所示。 e為電子的電荷。 第62頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 (a) (b)

40、 圖15 PN結的勢壘和能級分布第63頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三勢壘的大小與半導體材料中所摻的雜質的濃度有關。在雜質濃度很大的情況下，勢壘很大，使得N型半導體中導帶最低能級EC甚至于低于P型材料價帶的最高能級EV。在雜質濃度足夠大時，N材料的EC低于費米能級EF。而P材料中的EV高于EF，低于費米能級的區(qū)域容易被電子占據(jù)，故N材料中EC到EF之間聚集著很多電子，而在P材料之中EF到EV之間容易被空穴占據(jù)，故聚集著很多空穴。 第64頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 當給PN結加以正向電壓（正加在P，負加壓N）時，此電壓抵消了一部分自建電場

41、，使勢壘減小，如圖15所示。這樣就造成了P-N結區(qū)域的電子數(shù)反轉分布，即導帶EC上的電子數(shù)多于價帶EV上的電子數(shù)。因此在外加電壓的激發(fā)下，電子產(chǎn)生受激輻射，發(fā)生激光。只要外加電源產(chǎn)生的電流足夠大，足以補充導帶中的電子，激光將會連續(xù)發(fā)射出去。 第65頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2. 半導體激光器 砷化鎵激光器采用砷化鎵（GaAs）作為激活媒質，摻雜的濃度很大。GaAs是III-V族化合物，當摻入IV族元素如Te時，就形成N型半導體，其載流子濃度可達（13）1018/cm3；當摻入II族元素如Zn 時，就形成P型半導體，其載流子濃度約為（24）1019 / cm 3；

42、。用這種半導體構成的P-N結就是激光器的的發(fā)光源區(qū)，稱為有源區(qū)。在PN結兩端，按照晶體的天然晶面切成相互平行并且光滑的平面，稱為解理面。這兩個解理面就構成兩個反射鏡，其間形成激光器的諧振腔。其側面不要磨光，使不與諧振腔軸線平行的光發(fā)散出去，不要反射回來進行放大。在P-N結上下底面上，接上電極，與外電源相連，N接負極，P接正極。 第66頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 在發(fā)光源區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生電子數(shù)的反轉分布，在接通外電源，而且電流超過一定的門坎值時，就會在自發(fā)輻射的激發(fā)下，使受激輻射大于受激吸收。一個光子就會激發(fā)出很多頻率、相位、傳播方向完全相同的光子，產(chǎn)生光的放大。此外，

43、由于諧振腔的存在，放大的光被進一步放大因而產(chǎn)生振蕩，從一端反射鏡的小孔向外發(fā)射激光。為了使激光能連續(xù)的穩(wěn)定的發(fā)射，必須由外電源供給一定的電流，維持有源區(qū)粒子數(shù)的反轉分布。使激光器剛開始產(chǎn)生激光 的注入電流稱為激光器的閾值電流。其值愈小時激光器效率就愈高。閾值電流密度一般在（10100）kA/cm2范圍內(nèi)。 第67頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 用砷化鎵一種材料作成的P-N結半導體激光器稱為同質結半導體激光器。這種激光器的有源區(qū)是載流子擴散產(chǎn)生的，一般較寬。因此，為了能使其發(fā)出激光，就需要較大的閾值電流，使激光器的效率降低。此外，這種激光器有源區(qū)發(fā)出的光有顯著的衍射現(xiàn)

44、象。衍射出有源區(qū)的光消耗了光能，使輸出光的功率降低。同質結半導體激光器的結構如圖16（a）所示。 為了克服同質結半導體激光器的上述缺點，可采用異質結半導體激光器，即由不同材料構成的P-N結激光器。異質結半導體激光器又有單異質結激光器和雙異質結激光器之分。其原理簡單解釋如下。第68頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖16 半導體激光器結構示意圖 （a）同質結半導體激光器；（b）單異質結激光器；（c）雙異質結激光器 第69頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖16（b）示單異質結激光器結構。在此P-N結中，由于鎵鋁砷GaAlAs禁帶寬度較大，在GaAs

45、（p+）之間的交界面上出現(xiàn)一個電位勢壘很大的陡坡，使電子不能越過交界面而被限制在GaAs（p）內(nèi)。因此，GaAs（p）內(nèi)的電子濃度增大，加強了受激輻射的放大。其次，由于GaAlAs的折射率低于GaAs的折射率約5%，使得在交界面處形成一個高反射層，使受激輻射的光被限制在GaAs中，減少了周圍材料對受激輻射光的吸收，提高了光的輸出功率。GaAlAs（p+）層的存在不僅提高了光的輸出功率，而且還降低了激光器的閾值電流。這種激光器的閾值電流密度約為8000A/cm2。 第70頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖16（c）示雙異質結激光器的結構。它與單異質結激光器不同之處是在

46、GaAs（p）的左側也增加了一層GaAlAsN。在GaAsp與GaAlAsN之間形成PN結。GaAlAsN與GaAlAsp+相似，進一步從左側限制了電子的逾越，增大了GaAsp中電子的濃度，增強了光的放大作用。而且也從左側限制了光的衍射，進一步提高了光的輸出功率，降低了閾值電流。雙異質結半導體激光器可使閾值電流降低到7001600A/cm2。第71頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三3. 半導體激光器的特性。 (1). 輸出特性 半導體激光器的輸出光功率P與注入電流I之間的函數(shù)關系曲線稱為激光器的輸出特性，半導體激光器的輸出光功率與有源區(qū)的電子密度、光子密度、注入電流、有

47、源區(qū)厚度以及材料的雜質密度等因素有關，可以通過理論計算得到，也可用實驗方法得到。 第72頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 （a） (b) 圖17 激光器(LD) 的輸出特性 圖18 。激光器(LD)輸出光 （a）理論計算的輸出特性；（b）實驗得出的輸出特性 功率隨溫度的變化關系第73頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖17（a）示理論計算得到的輸出特性， 圖17（b）示用實驗方法得到的輸出特性?？梢妰烧叻浅＝咏?。圖中Ith代表閾值電流。IIth區(qū)稱為激光區(qū)，是電子受激輻射而產(chǎn)生激光的區(qū)域，在此區(qū)域所發(fā)的光不但強度很大，而且頻率、相位、傳播方向

48、都相同，是相干激光。第74頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 (2). 溫度特性 向半導體激光器P-N 結注入的電功率大部分變成光能發(fā)射出去，但也有一部分電功率轉化為熱消耗掉，P-N結的溫度升高。 這將引起閾值電流的變化，從而引起輸出光功率的變化。圖18示鎵鋁砷一鎵砷激光器輸出光功率隨溫度變化的關系。 半導體發(fā)光二極管（LED） 半導體發(fā)光二極管（LED）所用的材料和半導體激光器（LD）所用的材料一樣，主要是用鎵鋁砷（GaAlAs）和銦鎵砷磷（InGaAsP）。其發(fā)光原理也和激光器一樣，但是利用自發(fā)輻射，而不是受激輻射，沒有諧振腔，不經(jīng)過放大。因此所發(fā)的光是熒光而不是激

49、光。它不需要太大的電流注入PN結、不需要形成電子數(shù)的反轉分布。因此，就沒有閾值電流問題。第75頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 由于發(fā)光二極管發(fā)光輸出特性線性度較好，使用簡單、成本低廉、壽命長，因而在對性能要求不高的場合使用的很多，故也是光纖通訊中的重要光源。 按照光的輸出方向，半導體發(fā)光二極管可分為表面發(fā)光型和側面發(fā)光型兩種。第76頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三1。表面發(fā)光型 表面發(fā)光型發(fā)光二極管的光輸出方向與PN結面垂直，如圖19所示，可用GaAlAs雙異質結構作成這種二極管。其最上面的N型GaAs作成的帽狀，中心有孔以便插入光纖；周圍

50、接電極，最下面的P型GaAs板下面安裝散熱片和電極。當外加電源的正極接下面電極，負極接上面電極，通電后有電流流過即可發(fā)光。所發(fā)的光從光纖輸出。為了使發(fā)光二極管能夠更好地與光纖耦合，可在二極管與光纖之間放置一小球透鏡。第77頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖19 半導體發(fā)光二極管（a）表面發(fā)光型發(fā)光二極管（b）側面發(fā)光型發(fā)光二極管第78頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三2. 側面發(fā)光型 側面發(fā)光型發(fā)光二極管的結構與上述基本相同，只是它輸出光的方向與PN結面平行，如圖19（b）所示。 由于側面發(fā)光型的發(fā)光二極管的光輸出方向與PN結面平行，因而PN

51、結的兩面在有源區(qū)周圍形成波導，將輻射光導向發(fā)光面，因而可獲得較好的耦合效率，故其輸出光的方向性較表面發(fā)光型好。但側面發(fā)光型發(fā)光二極管的發(fā)光面比表面發(fā)光型發(fā)光二級管小，因此，就整體而言，二者輸出的光功率大致相同。第79頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三五。 驅動與調制電路 為了使激光器或發(fā)光二極管發(fā)光都需要注入電流，即進行驅動。為了用光信號傳送信息需要對光信號進行調制。通?？蓪⒋硕蝿蘸喜?，用驅動調制電路來完成。 與電信號相同，對光信號也可用調幅、調頻、調相的方法進行調制。但由于目前采用的光源的頻譜不純，中心頻率不穩(wěn)定，因而用調頻和調相的方法進行調制比較困難。故在當前實用

52、的光纖通訊系統(tǒng)中幾乎都采用調幅的方法，即使光源輸出的光強度跟隨調制信號按線性關系變化。一般采用改變半導體光源器件的激勵電流而得到光調幅的方法。模擬信號調制 第80頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 用模擬信號控制半導體光源的注入電流，使輸出光強度隨調制信號作線性變化稱為模擬信號調制。 圖19（a）示發(fā)光二極管LED的驅動調制電路，實際上這是一三極管甲類放大器，LED為其負載電阻，調制信號通過電容耦合加于基極，經(jīng)放大后通過LED。由于是甲類線性放大器，故通過LED的電流與調制信號波形完全一致。如果調整放大器的偏置電阻使得Ic 變化范圍在發(fā)光二級輸出特性P-I的線性范圍，如

53、圖19（b）所示，即可使發(fā)光的強度隨調制信號作線性變化。第81頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖20 . LED的單管模擬信號驅動調制電路 （a）驅動調制電路；（b）調制原理 第82頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖21 示出一雙管模擬式驅動調制電路，其工作原理與單管電路相同。但因雙管中的第一管按共集電極接線，其輸入阻抗很高，需要的調制信號功率很小。 圖22示出一差分模擬式驅動調制電路。三極管V1和V2特性完全相同，構成差分放大器。V3為一恒流源，通過其集電極的電流是恒定的。參考電壓U1用以調整LED的工作點。調制信號Vin加于V1的基極

54、，經(jīng)過V1放大，放大后的信號電流流過其集電極和V3集電極，因V3為一恒流源，其集電極電流不變，流過V1的電流增加必引起V2的電流減少，亦即流過LED的電流必與放大后的信號電流大小相等、相位相反。因此LED發(fā)出的光亦將隨著信號電壓變化，或者說被信號所調制。第83頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 圖21. LED的雙管 圖22 LED的差分模模擬式驅動調制電路 擬式驅動調制電路第84頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三數(shù)字信號調制電路數(shù)字信號一般采用脈沖編碼（PCM）方式傳送信息。通過通道傳送的是脈沖。因此光源P-I特性的非線性不再是考慮的主要問題，

55、而電路的開關工作速度，即調制速度將成為首要問題。LED光源的調制速度較慢，只能用于較低速度的數(shù)字光發(fā)訊機中。在較高速度的數(shù)字發(fā)訊機中，多采用LD作光源。第85頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三(1)發(fā)光二極管的數(shù)字信號驅動調制電路 圖23示一種共發(fā)射極單管數(shù)字式驅動調制電路。三極管導通時工作于飽和狀態(tài)。由于三極管工作于飽和工作狀態(tài)，在飽和期間集電極-集極PN結中貯存了大量的少數(shù)載流子，在截止時需要一定的時間來消除這些載流子，因此導通關斷的頻率不能太高。圖24示一發(fā)射極耦合的差分數(shù)字式驅動調制電路。其工作原理與用于模擬電路的差分放大器相同。由于有發(fā)射極恒流源的反饋和限制作

56、用。而且兩管輪流導通和截止，因而可工作于較高的速率。圖中D1和D2硅二極管的溫度特性和V1、V2管的PN結溫度特性相同，用作V1和V2管的溫度補償。第86頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖23 LED的單管數(shù) 圖24 LED的差分數(shù)字式字式驅動調制電路 驅動調制電路 第87頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三(2) 半導體激光器的數(shù)字信號驅動調制電路 圖25 示用于半導體激光器的驅動調制電路。V1、V2和V3仍為一差分驅動調制電路，與圖24相同。經(jīng)LD發(fā)出的調制光一方面通過光纖送出，一方面將其一部分通過光檢測器PIN又變成電信號。此電信號經(jīng)過運算

57、放大器A1放大后改變V3的基極電位和集電極電流，控制LD的偏置電流，產(chǎn)生負反饋作用。第88頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 例如當LD的光功率PLD減少時，使PIN的電流IPIN減少，因而使運算放大器A1的“-”端電位（UPIN+UREF+UIN）降低，使A1輸出電位UOA1升高，使V3基極電流升高，使V1的集電極電流，亦即流過LD的電流升高，使LD的輸出光功率PLD增大，從而達到反饋的目的。當LD的光功率PLD增大時，反饋過程與此相似。光檢測器PIN與LD組裝在一起，見下節(jié)。第89頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三圖25 LD的反饋式高穩(wěn)定數(shù)

58、字式驅動調制電路第90頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三第五節(jié) 光收信機 光電檢測器 能夠將光功率轉變成電功率的器件稱為光電檢測器。凡是能夠產(chǎn)生光電效應的物質都可作成光電檢測器。過去曾用光電效應物質作成陰極的光電管作為光檢測器?，F(xiàn)代的光電檢測器一般用半導體材料作成，光纖通訊中最常用的光電檢測器是PIN光電二極管和APD雪崩二極管。 1. PIN光電二極管首先介紹PN結的光電效應。如果給半導體PN結加上與自建電場方向相同電壓，使勢壘加強、PN結的耗盡區(qū)將變寬，其能帶結構如圖26所示。第91頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三PN結區(qū)內(nèi)已無自由載流子。

59、如果用光照射此PN結，并且當光子的能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，那么價帶的電子可以吸收一個光子的能量而躍遷到導帶，產(chǎn)生一對光生電子和空穴，則在外加電場作用下，電子將向N區(qū)漂移，而空穴向P區(qū)漂移，形成光生電流。這樣，光信號就變成了電信號。但是光生電子和空穴在PN結區(qū)向兩極漂移途中也會發(fā)生復合而失去電荷，造成光的吸收，降低了光電轉換效率。第92頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 為了解決這個問題，一方面選擇對光的吸收較少的物質作光電二極管。另一方面，延長光生電子-空穴對在PN結區(qū)的壽命，即減小復合的概率，應使PN結較寬、雜質濃度較低。PN結寬可產(chǎn)生較多的光生電子空穴對

60、，雜質濃度低可減少復合的概率。由此出發(fā)作成了PIN光電二極管，如圖26所示。將PN 結改變成PIN三層結構。P層和N層都很薄，中間為摻雜較輕的N型半導體，稱為I 層。I 層很寬。因而使整個PN結區(qū)變寬。提高光電轉換效率。第93頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 （a） （b） 圖26 半導體PN結能帶結構和其光電效應 （a）能帶結構；（b）先電效應第94頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星期三 （a） （b）圖27 PIN光電二極管的結構與電場分布 （a）PIN的結構（b）PIN內(nèi)部的電場分布第95頁，共171頁，2022年，5月20日，12點8分，星