第三章光源与光检测器

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。
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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。
? 如光检测器
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受激吸收
E2 hf12
E1
E2
E1
初态 终态
图3.2 受激吸收 能级和电子跃迁
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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
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自发辐射
? 处于高能级的电子是不稳定的，在未受到外界 激发的情况下，自发地跃迁到低能级，在跃迁 的过程中，根据能量守恒原理，发射出一个能 量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级 之差，即
? hf=E2-E1 ? 则发射光子的频率为 ? f=（E2-E1）/h ? △E=E2-E1(禁带宽度 )
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现用光源
? LD和LED ?LD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱 线窄。 ?LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低。 ?LED的确定：谱线宽度宽，调制速率较低，与 光纤的耦合效率低。 LD适用于长距离、大容量的传输系统。 LED适用于短距离、小容量的传输系统。
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半导体光源的物理基础
? 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。
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选频机制
? 谐振波长是光学谐振腔的重要参数。 ? 腔的尺寸远大于工作波长——腔内的电磁波可认为是均匀
平面波。 ? 设从A点出发的平面波，垂直投射到反射镜M1，由M1反
射后又垂直投射向M2。再回到A点时，如果它们之间的 相位差是2π的整数倍，显然就达到了谐振。如果设L为谐 振腔的长度，λ为谐振腔介质中光波的波长，则应有 ? L=q×λ/ 2 ? 其中q=1，2，3，……
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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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
能量 Eg
导带
Ec Eg /2
Ef
Eg
Eg /2
Ev
价带
Ec
Ec
E
f
Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.4
(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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半导体激光二极管(LD)
LD是一种光学自激振荡器，也是一种 PN结。 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。 产生受激辐射的基本条件： ? 使光产生振荡 ? 使光得到一定的放大，放大量至少应当抵消所有 可能存在的损耗 ? 同时还要有一定的机制使得振荡频率单纯和稳定。
?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。
增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得 粒子数反转分布，见图3.3(c)。
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。
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阈值条件
? 光子的传播和反射等运动过程中要消耗一部分能 量，光子向不希望的方向运动，会很快离开使光 子总量减少。此外还有产生声子（晶格振动）的 损耗等。
? 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。
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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
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。
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）
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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。
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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。
因此，这时受激吸收大于受激辐射。也就是说， 在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大作用。
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粒子数反转分布与光放大
? 要让物质能够产生光的放大，就必须使物质中的 受激辐射作用大于受激吸收作用。
? 必须使高能级上的电子多于低能级上的电子，这 种粒子数反常状态的分布，称为 粒子数反转分布 。
?粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的 必要 条件。
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自发辐射
? 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