第三章通信用光器件
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3.3 光无源器件
3.3.1 和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关第三章通信用光器件
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第 3 章 通信用光器件
通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制 器、光开关和隔离器等。
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型第三半章导通信体用；光器(c件) P型半导体
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
(2)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也 会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子 辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。
(3)受激辐射
在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级
E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种 物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
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)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将 在下面加以叙述。
第三章通信用光器件
2. PN
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。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
第 3 章 通信用光器件
3.1 光源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用
3.2 光检测器
3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD) 3.2.4 光电二极管一般性能和应用
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。
第三章通信用光器件
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。
第三章通信用光器件
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。
第三章通信用光器件
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，
E1
E2
终态
E1
(b) 自发辐射；
第三章通信用光器件
E2 hf12
E1 E2 E1
初态 终态
(c) 受激辐射
第三章通信用光器件
(1)受激吸收
在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电 子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。
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)
第三章通信用光器件
E2 hf12
E1
E2
E1
初态 终态
(a) 受激吸收； 能级和电子跃迁
第三章通信用光器件
E2
初态
hf12
第三章通信用光器件
3.1 光源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔
二、半导体激光器基本结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性
一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性
射，见图3.1(c)。
第三章通信用光器件
受激辐射和受激吸收的区别与联系
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百度文库尔条件，即
E2-E1=hf12
(3.1)
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子 频率。
当系统处于热平衡状态时，
N2 exp(E2E1)
(3.2)
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 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。
第三章通信用光器件
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例 系数(吸收和辐射的概率)相等。
本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结
构和主要特性，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)。
第三章通信用光器件
光纤通信系统对光源的要求
• 1、合适的发光波长 • 2、足够的输出功率 • 3、可靠性高，寿命长 • 4、输出效率高 • 5、光谱宽度窄 • 6、聚光性好 • 7、调制方便 • 8、价格低廉
四、 频率特性 五、 温度特性
3.1.3 分布反馈激光器
一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
3.1.4 发光二极管
一、工作原理 二、工作特性
3.1.5 半导体光源一般性能和应用
第三章通信用光器件
3.1 光源
光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换 为光信号。
目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极 管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些 场合也使用固体激光器。
3.3.1 和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关第三章通信用光器件
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第 3 章 通信用光器件
通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制 器、光开关和隔离器等。
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型第三半章导通信体用；光器(c件) P型半导体
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
(2)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也 会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子 辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。
(3)受激辐射
在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级
E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种 物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
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)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将 在下面加以叙述。
第三章通信用光器件
2. PN
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。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
第 3 章 通信用光器件
3.1 光源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用
3.2 光检测器
3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD) 3.2.4 光电二极管一般性能和应用
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。
第三章通信用光器件
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。
第三章通信用光器件
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。
第三章通信用光器件
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，
E1
E2
终态
E1
(b) 自发辐射；
第三章通信用光器件
E2 hf12
E1 E2 E1
初态 终态
(c) 受激辐射
第三章通信用光器件
(1)受激吸收
在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电 子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。
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)
第三章通信用光器件
E2 hf12
E1
E2
E1
初态 终态
(a) 受激吸收； 能级和电子跃迁
第三章通信用光器件
E2
初态
hf12
第三章通信用光器件
3.1 光源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔
二、半导体激光器基本结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性
一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性
射，见图3.1(c)。
第三章通信用光器件
受激辐射和受激吸收的区别与联系
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百度文库尔条件，即
E2-E1=hf12
(3.1)
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子 频率。
当系统处于热平衡状态时，
N2 exp(E2E1)
(3.2)
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 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。
第三章通信用光器件
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例 系数(吸收和辐射的概率)相等。
本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结
构和主要特性，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)。
第三章通信用光器件
光纤通信系统对光源的要求
• 1、合适的发光波长 • 2、足够的输出功率 • 3、可靠性高，寿命长 • 4、输出效率高 • 5、光谱宽度窄 • 6、聚光性好 • 7、调制方便 • 8、价格低廉
四、 频率特性 五、 温度特性
3.1.3 分布反馈激光器
一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
3.1.4 发光二极管
一、工作原理 二、工作特性
3.1.5 半导体光源一般性能和应用
第三章通信用光器件
3.1 光源
光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换 为光信号。
目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极 管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些 场合也使用固体激光器。