第三章光源与光发送机2013

布。
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。
3. 激光振荡和光学谐振腔
激光振荡的产生：
粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和
方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。
基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图 3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。
hc 1.24 ( m) Eg Eg (eV )
(3.6)
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段
图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存 在。 这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。
40
832 830 828
I=85mA Po=6mW
832 830 828 826
35
30
1. 受激辐射和粒子数反转分布
有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，
能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态。
电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有 三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图3.1)
低能态
粒子数正常分布和粒子数反转
高能态
hvs
低能态
发光原理！
高能态
hvS
低能态
半导体的光发射 能带
晶体中的电子能级 有什么特点？
量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间 的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N 条靠得很近的能级,称为能带。
能带的宽度记作E ，数量级为 E～eV 一般能带中两能级的间距约10-23eV。 一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽，E越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，E越大。
能量 Eg Ef/2 Ef/2 Ef Eg Ev 价带 Ev 导带 Ee Ee Ef Eg Ef
(a)本征半导体 空穴
(b)N型半导体
(c)P型半导体 费米能级
电子
• 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
1 P( E ) E Ef 1 exp[ ] KT
• 费米能级
和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为
非相干光。
自发发射和受激发射的特点
• 自发发射的同时总伴有受激发射发生。 • 在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。 • 当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流
注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，
即粒子数反转后，在发光束方上的受激发射比自发发射
能级与电子跃迁示意图
E2 E1
hv
初态
hv
E2
E1
(a)受激吸收
hv=E2-E1 h=6.626x10-34 Js 是普朗克常数
终态
hv hv
(b)自发辐射
(c)受激辐射
hv
非相干辐射
受激发射的光子与原 光子具有相同的波长 、 相位和传播方向，相 干辐射
光的自发发射、受激吸收和受激发射
• 自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率 为=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系， 可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无 关。
受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁， 吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-
E1=hv
受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频
率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。
自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率
子的限定作用，这时可以采用异质结结构。
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到
h f =Eg 式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速， h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
光源的一些重要指标

光波长是否可调谐 光谱宽度：窄和宽？ 光功率

直接调制特性（强度、频率、相位，线性、噪声
）：集成

受环境影响（温度、振动、湿度等） 工作寿命 价格
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分 布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产 生激光振荡的。
这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益
增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激 光器。 图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增 大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。
830 828
Im/mA I=100mA Po=10mW
2 2nL
f
c 2nL
例：3.1.2、3.1.3 （page 64）
28
4. 半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平 面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P 型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制
特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器 (DFB - LD)，最 后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。
光纤技术用光源的种类
光通信 半导体发光二极管（LED－Light Emitting Diode) 半导体激光二极管(LD-Laser Diode) 光纤传感 半导体发光二极管 半导体激光二极管 光纤激光器
的强度大几个数量级。
粒子数正常分布和粒子数反转
在温度为T的平衡态时，原子中的电子处于能级Ei的数目Ni为（波尔兹曼分布）
N i Ce E i / kT
原子中处于N2和N1的电子数目之比为
N2 e N1 E 2 E1 kT
高能态
低能态
处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分 布。k是波尔兹曼常数=1.38×10－23J/K，T是热平衡时绝对温度 。 为了实现光放大，必须使处于高能级上的 电子数大于低能级上的电子数，这种分布 与正常分布相反，故叫做粒子数布居反转 分布，简称粒子数反转。 高能态
大而提高效益。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内 ，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可
以在室温连续工作。
(a)
＋
P Ga1 －x Al xAs
P GaAs
N Ga1 －yAl y As 电子
－
(b)
E 能 量
复合
空穴 n 折 射 率
异质势垒
在p型半导体中 空穴……多数载流子 电子……少数载流子
Ｐ-Ｎ结
在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的
补偿作用，该区就成为ｐ型半导体。
由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的
空穴向Ｎ区扩散，在ｐ型半导体和Ｎ
型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。
内建场阻止电子
和空穴进一步扩 散，记作 E阻 内建场大到一定 程度,不再有净电
(c)
～5%
(d)
P 光
图 3.6 DH激光器工作原理
(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
异质结 LED发光原理的PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区 具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但 很小），这种PN结称为同质结。 在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，发光不集 中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必 须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。 为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流
p型
n型
荷的流动，达到 +
了新的平衡。 在p型 n型交界面 附近形成的这种特
+
-
E阻
hv
殊 结 构 称 为 P-N 结 ， 约 0.1m厚。
P-N结
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Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占 据禁带。
p f p v
hf
E
n c n f
E 内部电场 外加电场 电子，
n v
空穴
正向偏压下P - N结能带图
获得粒子数反转分布
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。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分
• 受激吸收：处于低能级E1的粒子受到光子能量为hv的光照射时，