第三章光源与光检测器

❖ 处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或 激活物质。
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PN结的能带和电子分布
在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展
成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带 称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
p(E)

1
1 E exp(

Ef
)
(3.3)
kT
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称 为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的
状态。
在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
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内部电场
PN
P区
结空 间电
荷区
扩散 漂移
N区
P - N结内载流子运动； 图 3.5 PN结的能带和电子分布
❖ 无论如何，激活物质产生的光增益应足以抵消所 有的损耗，振荡才可能发生。
❖ 这里将振荡开始出现净增益的条件称为阈值条件 （反映为阈值电流）。
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选频机制
❖构成一个振荡器，必须包括某种选频机构， 一种最简单的选频结构是光学谐振腔。
❖光学谐振腔能提供必要的反馈以及进行频 率选择。
❖在增益物质两端适当的位置，放置两个互 相平行的反射镜，就构成了最简单的光学 谐振腔，称为F-P腔。
第三章 光源与光检测器
本节内容
光纤通信对光源的要求 半导体光源的物理基础 发光二极管LED
激光二极管LD
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问题的提出
光纤通信系统中利用什么来携带信息? 光纤通信系统中需要什么样的光源?
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❖ 光源是光纤通信系统的关键器 件，它产生光通信系统所需要的光 载波，其特性的好坏直接影响光纤 通信系统的性能。
❖ 没有外界作用的条件下自发产生的。 ❖ 发射出光子的频率决定于所跃迁的能级。 ❖ 发生自发辐射的高能级不是一个，而是一系列的
高能级时，辐射光子的频率，频率范围可能很宽。 ❖ 对于在相同的能级差间发生的跃迁，辐射出的光
子也只是频率相同，发射方向和相位是各不相同 的，因此是非相干光。 ❖ 例如LED发光和LD在外加小于阈值电流时。
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光纤通信系统对光源的要求
❖合适的发光波长； ❖体积小，重量轻；
❖足够的输出功率； ❖输出效率高；
❖光谱宽度窄；
❖聚光性好；
❖温度特性好；
❖调制方便；
❖可靠性高、寿命长；❖价格低廉。
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需要什么样的光源
❖ 实用光纤通信系统对光源有以下要求：
（1）合适的发光波长
光源的发光波长必须在光纤的低损耗区，包括 0.85μm、1.31μm和1.55μm波长窗口。也就是说， 光源的发光波长应与光纤的工作窗口相一致。在 目前的光通信系统中作为第一窗口的0.85μm短波 长窗口已基本不用，1.31μm的第二窗口正在大量 应用，并且光纤通信系统正在逐渐向1.55μm的第 三窗口转移。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
图 3.4
(b)
(c)
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
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图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根 据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级 被电子占据的概率为费米分布
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光的波粒两重性
❖光具有波动、粒子两重性 ❖波动性和粒子性是不可分割的统一体 ❖它是指光在不同场合下表现出来两种
同样属性：当光在空间传播时主要表 现出波动性；当光与物质相互作用时， 光的行为又表现出粒子性。
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能级
❖ 物质组成：分子、原子、电子。 ❖ 电子既绕原子核旋转，又作自旋运动。 ❖ 电子通过与外接交换能量从一种运动状态转变为
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需要什么样的光源
（4）输出效率高
输出光功率与所消耗的直流电功率 的比值叫做输出效率。要求输出效率 尽量高，即耗电尽量省，而且要在低 电压下工作。这样，对无人中继站的 供电就较方便了。目前输出效率的标 准是大于10%，将来希望达到50%。
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需要什么样的光源
（5）光谱宽度窄
光谱宽度是光源的发光波长范围。人们 希望光波也能够和无线电波一样，只在一 个频率振荡。实际上这很难做到，只能要 求光谱尽量短。光源的光谱宽度直接影响 到系统的传输带宽，它与光纤的色散效应 相结合，就产生了噪声，影响系统的传输 容量和中继距离。
❖光子与光波； ❖原子的内能与能级； ❖普朗克公式； ❖光的吸收与辐射； ❖半导体光源。
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光量子学说
❖ 1905年，爱因斯坦提出光量子学说，认为： 光是由能量为hf的光子组成的
❖ h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数， ❖ f是光波频率。
整体性：携带信息的光波，它所具有的能量只 能是hf的整数倍。当光与物质相互作用时，光 子的能量作为一个整体被吸收或发射。
❖ 如光检测器
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E2 hf12
E1
E2
E1
初态 终态
图3.2 受激吸收 能级和电子跃迁
受激吸收
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受激辐射
处于高能级的电子，当受到外来光子的激发 而跃迁到低能级，同时放出一个能量为hf的光子， 由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因 此叫做受激辐射。
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E2 hf12
E1 E2 E1
初态 终态
图3.3 受激辐射
受激辐射
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受激辐射的光放大
❖ 外来光子的能量等于跃迁的能级之差 ❖ 受激过程中发射出来的光子与外来光子：
频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同， 称它们是全同光子。 ❖ 受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠 加的结果而使光增强。 ❖ 这个过程使光得到放大。 ❖ 受激辐射的光放大作用，是产生激光的一个重要的基础概 念。如LD激光器。
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自发辐射
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
E1
图3.1 自发辐射
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受激吸收
❖ 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收 了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过 程叫做受激吸收。
❖ 受激吸收过程必须在外来光子的激发下才会产生， 外来光子的能量必须等于电子跃迁的能级之差， 即E=E2-E1=hf。显然，受激跃迁的过程中，没有 多余的能量放出来。
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需要什么样的光源
（3）可靠性高，寿命长 光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工
程要求光源平均工作寿命为106小时（约100年）， 一般不允许中断通信。设一个通信系统中有10个 光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系 统中断工作。从故障的概率来说，该系统发生中 断通信故障的时间间隔为10万小时（10年左右）。 这是实用通信工程对元器件的要求。
另一种运动状态，对于每一种运动状态来说，都 具有一定的内能（位能与动能之和）。 ❖ 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动的特 定轨道。这些特定轨道称为能级。
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光与物质的三种作用形式
❖光与物质的相互作用有三种不同的基本过程： 自发辐射、受激吸收、受激辐射 ❖下面以两能级系统为例加以说明。 ❖设原子的两个能级为E1和E2。 ❖E1为低能级（价带） ❖E2为高能级（导带）
力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下， 总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨 道。
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粒子数反转分布与光放大
❖ 受激辐射能产生光放大，是产生激光的必要条件。 ❖ 在正常状态下，在热平衡系统中，低能级上的电
子多，高能级上的电子少。在单位时间内，从高 能级跃迁到低能级上的粒子数，总是少于从低能 级跃迁到高能级上的粒子数。
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选频机制
❖ 可得出光波长的表示式为 ❖ λ= 2L / q ❖ 此式即为光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件。 ❖ 当光学谐振腔材料的折射率为n时，折算到真空的光学谐
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能量
p
Ec P区
p
Ev
n
Ec
势垒
Ef N区
n
Ev
图3.6 零偏压时P - N结的能带倾斜图
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p
Ec
hf hf
p
Ef
p
Ev
内部电场 外加电场
电子，
n
Ec
n
Ef
n
Ev
空穴
图3.7 正向偏压下P - N结能带图 获得粒子数反转分布
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增益区的产生：
在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外 加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场 方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
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需要什么样的光源
（2）足够的输出功率
光源的输出功率必须足够大，光源输出功率的 大小直接影响光通信系统的中继距离。光源的输 出功率越大，系统的中继续距离就越长。但这个 结论是有条件的，即如果光源的输出功率太大， 使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统补 允许的。当然，目前的问题不是光纤的功率太大， 而是不够。因此，还应努力提高光源输入光纤的 光功率，以增大中继距离。一般光源的输出功率 大于1mW。
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产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设 在 单 位 物 质 中 ， 处 于 低 能 级 E1 和 处 于 高 能 级 E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。
当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
N2 exp( E2 E1 )
(3.2)
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热