激光振荡和光学谐振腔

第3章 通信用光器件 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。 例：以氢原子为例，它的第一激发态能量为E2=-3.40eV，
基态能量为E1=-13.6eV，则
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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取决于导带的电子跃迁到价带 时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度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=6.628×10－34 J· s为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
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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(见图 3.1)： (1) 受激吸收。 (2) 自发辐射。 (3) 受激辐射。
4. 半导体激光器基本结构
半导体激光器的结构多种多样，基本结构如图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的窄禁带 P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽禁带的P型和N型半 导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两 个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。
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另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存
在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等 (满足振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振
荡，其阈值条件为
1 1 th＝＋ ln 2 L R1 R2
(3.4)
式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1、R2<1为两个反射镜的反射率。
E2-E1 =10.20eV 令g2=g1 =1，在室温T=300K时(kT近似为0.026eV)，可以 计算出
10.20 n2 e 0.026 e392 10170 n1
第3章 通信用光器件 2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，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。晶体的能级谱在原子能级的基础上
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光 源
光检测器 光无源器件 小 结
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3.1 光 源
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。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的 光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开 始。
hc 1.24 ( m) Eg Eg
(3.6)
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பைடு நூலகம்
2. 激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光 器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距 离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远 场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行 于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称 为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振 腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直 于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。
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激光振荡的相位条件为
2nL Lq 或 2n q

(3.5)
式中，λ为激光在真空中传播的波长，n为激活物质的折射率， λ/n为激光在介质中传播的波长，q=1, 2, 3，…称为纵模模数。 式(3.5)意味着，L应为介质中激光传播波长的1/2的整数倍。
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按共有化运动的不同分裂成若干组，每组中能级彼此靠近，
组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带（低能带），而价带上面临近的空带（自
由电子占据的能带）称为导带（高能带）。二者之间的区域
称为禁带。
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3. 激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方 向进行选择，才能获得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，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播 的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈， 不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提 高。
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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 E2－E1 ＝exp－ N1 kT
(3.2)
式中，k=1.381×10－23 J/K，为玻尔兹曼常数，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。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。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。