2011第三章解读

在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满
足玻尔兹曼统计分布。
N2 e N1
E2 E1 kT
式中，k = 1.381×10-23 J/K，为波尔兹曼常数，T 为 绝对温度。由于
(E2-E1) > 0 ，T > 0， 所以在这种状态下，总是 N1 > N2。
（1）吸收物质
把 N1 > N2 分布称为粒子数正常分布 。在热平
5. 转换效率和输出光功率特性
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示， 其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子 数 ( p pth ) / hf p e d (3.7a)
( I I th ) / e I hf
由此得到
p pth
d hf
e
( I I th )
反，所以称为粒子数反转分布。
问题是:
如何实现粒子数反转分布的状态呢?
（1）要在能级间实现粒子数反转分布，物质系统
中必须存在 3 个能级或 3 个以上的能级。理论证明，在
二能级的物质系统中，能级间不可能形成粒子数反转
分布的状态。
（ 2 ）在半导体光源器件中，通常是利用外加适当
的正向电压来实现粒子数反转分布的状态的。
即光放大的两个必要条件：
（1）激活媒质：能在两级间呈现“粒子数反转分布”的物质。 （2）激励源：是媒质呈现“粒子数反转分布”的外界能源。
二、半导体发光机理
1、本征半导体的能带分布
导带 费米能级Ef 价带 本征半导体：没有任何外来杂志和晶格缺陷的理想半导体 费米能级：绝对零度是电子所具有的最大能量 要使半导体产生激光 引入P.N型半导体 P-N结处于粒子数反转
1.24 (μ m) Eg (eV )

1.24 1.47

0.85 μm
适用于0.85 μm波段。
铟镓砷磷 - 铟磷 (InGaAsP-InP) 材料禁 带宽度Eg=0.80~0.96 eV 。
1.24 (μ m) 1.30 μ m 0.96 1.24 (μ m) 1.55 μ m 0.80
1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作
的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将
发生三种基本物理过程:
(1)受激吸收
(2)自发辐射
(3)受激辐射
2.光的吸收和辐射 <1> 光的受激吸收 价带电子吸收外界能量而越迁到导带上。（价电子 中留下一个空穴，相当于带正电的粒子）
入射光子的能量 Hf≥E2-E1=Eg
当能级E > Ef ，p(E) < 0.5时，说明这种
能级被电子占据的概率小于50%。 也就是说，低于费米能级Ef 的能级被 电子占据的概率大，高于费米能级 Ef 的能 级被电子占据的概率小。
3. P、N型半导体
（1）N型半导体：向本征半导体掺杂质元素（五价元素，P， AS。。），提供电子。即电子多，空穴少
正向偏压消弱的内建电场，空间电荷区变小，利用扩散。
4.光的振荡
当媒质呈粒子数反转分布时，有入射光，则可以保级的电子数多于低能级的电子数
辐射>吸收
（辐射有受激辐射、自发辐射）
受激辐射>>自发辐射 相干光占主导地位，为激光
自发辐射>受激辐射 非相干光占主导地位，普通光
温连续工作。
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)
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
三.半导体激光器
----激光器三部分：激活媒质、谐振腔、激励源
1.半导体激光器的结构和工作原理 <1>结构：P层、N层和形成双异质结构的有源层。有源层具 有谐振腔。
防反 射膜 输出 光
P型 有源 区
N型
输入 光
<2>粒子数反转分布的形成：外加正向电压 <3>利用受激辐射的发光原理。
2. 半导体激光器的原理
分为两种类型：分布反馈式和耦合腔式 分布反馈式半导体激光器是一种可以动态控制的单纵模激光器，分为：
1、DFB
第 3 章
通信用光器件
通信用光器件可以分为两种类型
1、有源器件
2、无源器件
1、有源器件
有源器件包括光源、光检测器和光放 大器，这些器件是光发射机、光接收机和 光中继器的关键器件，和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。
2、光无源器件 光无源器件主要有连接器、耦合
器、光合波器和光分波器、光滤波器
布里-珀罗(Fabry Perot，F-P)谐振腔。
法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔
沿轴线的光子在前进的过程中不断激发高能级上 的电子，使其跃迁到低能级而发射光子。 不沿轴向的光子被射出腔体
<2>谐振条件
纵模的谐振相位条件为：
Lq

q ：模数 λ：波长
2n
n ：介质折射率
谐振腔的长度L等于半波长的整数倍q :
热能
由图看出：T升高，P下降、 Ith增大。 T I th I 0 exp T 0
对于长波长InGaAsP激光器，T0的典型值为50～ 70 K；对于短波长的GaAs激光器，T0>120 K。 可见InGaAsP激光器对温度较敏感。
4.谱线特性
把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线 宽度（半功率点全宽FWHP），用 表示。
hc 1.24 Eg Eg
(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
镓铝砷 - 镓砷 (GaAlAs-GaAs) 材料 禁带宽度Eg=1.47 eV，其发射波长为：
2 电子分布
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：
1 p( E ) E Ef 1 exp( ) kT
式中， k 为波兹曼常数， T 为热力学温度。
Ef 称为费米能级，它是半导体的一个参数。
当能级 E < Ef ，p(E) > 0.5时，说
明这种能级被电子占据的概率大于50%；
(3.7b)
式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电 子电荷。
6. 频率特性
图为半导体激光器的直接调制频率特性。张弛频率 fT 是
调制频率的上限，一般激光器的 fT 为1~2 GHz。在接近 fT 处， 数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。
在PN结激活区， 电子空穴对复 合发射出光。
3.半导体激光器的分类
同质结半导体激光器
异质结半导体激光器
<1>同质结半导体激光器
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。
同质结构成的光源有很大的缺点：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。
<2> 异质结半导体激光器
异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。
它是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不
同带隙的材料对载流子进行限制。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子
形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到 P层。
衡状态下，N1 > N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过
这种物质时，光波总是被吸收，光强按指数衰减， 这种
物质称为吸收物质。 （2）粒子数反转分布
如果 N2 > N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通 过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为 激活物 质。N2 > N1的分布，和正常状态( N1 > N2 )的分布相
3.1.3单纵模半导体激光器
前面讨论的 F-P 腔激光器， 其光的反馈是由腔体两 端面的反射提供的， 其位置是确定的， 就在端面上。 通常工作在多纵模状态，谱宽（2 -4纳米），不适用于 1.55微米波长的光纤通信系统。 由此：设计出单纵模半导体激光器。。 设计思想：利用光纤的频率选择特性
1 单纵模半导体的分类
电/光转换。
常用的光源主要有
半导体激光二极管或称激光器(LD)
发光二极管或称发光管(LED)。
一.基础知识
1.定义
价带Ev：与原子最外层轨道 的价电子对应的能带。 导带Ec：价带以上的能带，没 有电子。热或光的激发，价带中 的电子得到能量而越迁到价带 以上的能带，电子参与导电 禁带Eg：导带与价带之间的 能级，不能被电子占据的区域。 Eg=Ec-Ev
适用于1.3~1.55μm波段。
2.阈值特性Ith （输出特性）：P-I曲线
I>Ith 发激光（激光区）
I< Ith 发荧光（荧光区）
P、I在激光区有很好的线性关 系
目前Ith<10mA
工作温度升高，阈值电流增大 使用时间增加，阈值电流增大
3.温度特性 光功率 注入电功率 结区温度 升高，Ith 增大，引 起输出功 率变化
普朗克常数h＝6.625×10-34(J· s))
光检测器
<2>自发辐射 导带中的电子不稳定，自动向价带跃迁，能量以光 子的的形式释放出来，发射光子的能量
hf=E
g
f：发射光子的频率
产生的光子具有随机的 方向、相位、和偏振，为 非相干光 发光二极管 Light Emitting Diode
<3>受激辐射 导带电子受到入射光子的激发，跃迁到价带， 而发射光子。
射出的光子有：入射光子、 辐射光子 频率、方向、偏振、相位 都相同，为相干光。 即，入射光得到放大。
激光器（Laster Diode）
3 粒子数反转分布
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) 的粒子数分别为 N1 和 N2。
和隔离器等。这些器件对光纤通信系 统的构成、功能的扩展和性能的提高
都是不可缺少的。
本章重点要求：
1、了解光源和光检测器的概念及其
在光纤通信系统中作用；
2、理解激光器的发光机理； 3、掌握发光二极管、半导体激光器、 光电二极管、雪崩光电二极管等的工作原
理及其主要特性。
3.1 光源
光源是光发射机的关键器件，其功能 是把电信号电流转换为光信号功率,即实现
（2）P型半导体：加三价元素，提供空穴。即空穴多，电子少
+4
<1>P、N半导体能带图
<2>重掺杂下P-N结的能带图 没有形成结的费米能级？ 扩散： 内建电场： 内建电场电场的作用：
达到热平衡的费米能级
没有形成结，费米能级不同，达到热平衡以后，有共同 的费米能级 P区电子电位高，所以能带高。以至于p区价带高于N区 导带 扩散：p区空穴扩散到N区，成为负电荷区 N 区电子扩散到p区，成为正电荷区 内建电场：由于空间电荷区的存在，出现一个N指向P区 的电场 电场作用：阻止扩散，使p区的电子移向N区，使N区的 电子移向p区。这种与扩散相反的作用，称为漂移最 后扩散、漂移达到平衡。边界不存在净电流
产生激光---如何实现？
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。
<1> 法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔
激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜
与反射率为 90%~95% （ R<1 ） 的部分反射镜平行
放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这 样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚 0.1~0.3 μm 的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小 的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效 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
<3>P-N结正向加压后的能带图
正偏压：
N区的电子、P区的空穴 注入到PN结，实现了 粒子数反转分布，即 使之成为激活物质
加正向电压后，热 平衡破坏，不存 在统一的费米能 级。
反转分布的解释
正向偏压时，大量的p区空穴注入结区，n区电子注入结区，使 空间电荷区附近出现粒子数反转区域。称为”有源区”即： 在结区费米能级之间，高能级主要被电子占据，电子是多子； 低能级………空穴………空穴是多子。