半导体激光器与发光二极管

第三章 半导体激光器与发光二极管
二、费米能级
1、 原子能级的概念 物质是由原子组成，而原子又是由原子核和核外 电子构成，当物质中原子的内部能量变化时，即可能产 生光波。因此要研究激光的产生过程，就应了解原子能 级分布。
电子在原子核外按一定的轨道运动，就具有了一定 的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的 数值，这些允许的数值，因轨道不同，而一个个分开的， 即不连续的，我们把这些分立的能量值，称为原子的不 同能级。(*04)
2°受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频 率相同，而且相位、偏振方向传播方向都相同， 因此称为全同光子。 3°这个过程可以使光得到放大，这是因为受激过 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，使入射光得到放大。因 此，受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重 要的基本概念。
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发光二极管图例
圆形发光二极管工作参 数 波长：470nm 发光强度： 1000－4000mcd 正向电压；3.4v
图 3.2*
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光电检测器图例
图 3.3* 插拔式光电二极管
图3.4* APD雪崩光电二极管
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1 1 e
[( E E f ) / K 0T ]

1 E Ef 1 exp( ) KT
f ( E（概率） ) 式中： ：为电子的费米分布函数
Ko：玻耳兹曼常数
K 0 1.381034 J ， /K
T：绝对温度
E f ：费米能级，它只反映电子在各能级中分布
情况的一个参数。 根据上式，我们可以得到图3.1所示的费米分布函数 曲线：
1、能够产生激光的工作物质 就是可以处于粒子数反转分布状态的工作物质 （前题），这种物质要有确定能级的原子系统，通 过分析可知在三能级以上系统中即可得到粒子反转 分布。 2、泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源， 叫做泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使粒子从低能级跃迁 到高能级，使N2＞N1，这种情况下，受激辐射大于 受激吸收，从而有光放大作用，这时的工作物质已 被激活，成为激活物质或称增益物质。 3、光学谐振腔 增益物质只能使光放大，要形成激光振荡器， 还需要光学谐振腔，以提供必要的反馈及进行频率 选择。
引言
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一、 光纤通信系统对光源的基本要求： （1）稳定性好，可在室温下连续工作；
（2）尺寸和结构要小；
（3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段； （4）信号调制容量大。
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引言
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二、 最常用的发光器件：
（1）LD：半导体激光二极管或称激光器(LD),发出的是激光. a. 极窄的光谱带宽；b. 极大的调制容量； c 有定向输出特性；d. 辐射具有光相干特性。 适用于长距离，大容量，高码速系统 优点：输出特性曲线线性好；使用寿命长；成本低.
级跃迁到低能级上的粒子数总是小于从低能级跃迁到
高能级的粒子数，这时受激吸收大于受激辐射击，即 在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。
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要想物质能产生光放大，就必须使受激辐 射作用大于受激吸收作用，即N2＞N1，这种粒
子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布 。
因此，粒子数反转分布状态是物质产生光放大 的必要条件。 我们将粒子数处于反转分布状态的物质， 称增益物质，或激活物质。
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§3-2 激光器的一般工作原理
激光器是指激光的自激振荡器。 要使光产生振荡，必须是使光得到放大，而产生 光放大的前题，是物质中的受激辐射必须大于受激吸 收，因此，受激辐射是产生激光的关键。 一、粒子数反转分布与光放大之间的关系 设低能级上பைடு நூலகம்粒子密度为N1，高能级上的粒子密 度为N2，正常状态下N1＞N2，则单位时间内，从高能
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激光的产生原理：
当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以 后，即有了放大作用。
将在泵浦源激发下，处于粒子数反转分布状态的 工作物质，置于光学谐振腔内，腔的轴线应与激活物 质的轴线重合，被放大的光在谐振腔内，在两个反射 镜之间来回反射，并不断地激发出新的光子，进一步 进行放大，但在这个运动过程中也要消耗一部分能量 （不沿谐振腔轴线方向的光波会很快射出腔外，以及 M2反射镜的透射也会损耗部分能量）。当放大足以抵 消腔内损耗时，就可以使这种运动不停地进行下去， 即形成光振荡。当满足一定条件后，就会从反射镜M2 透射出一束笔直的强光——激光。
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2、费米能级 物质中的电子不停地做无规则的运动，他们可以 在不同的能级间跃迁，即对于某一电子而言，它所具 有的能量时大时小，不断变化，而电子按能量大小的 分布却有一定规律。
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在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占
据的概率为：f ( E )
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综上所述：要构成一个激光器，必须具备三要素： 1°工作物质：又称增益物质
2°泵浦源：激发工作物质实现Nc>Nv的外界能源。
如 正向偏置的PN结激光器
3°光学谐振腔：提供必要的反馈以及进行频率
选择。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
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数r＜1，产生的激光由此射出。
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(2)谐振腔如何产生激光振荡
当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质后， 即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈 回来，再参加激励，这相当于电路中用正反馈实现振 荡，这时被激励的光就产生振荡，满足一定条件后， 即可发出激光。 如图3.4所示：
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构成光纤通信系统三大部分之一的光发射部 分的核心是产生激光或荧光的光源，它包括半导 体激光器LD（Laser Diode） 和半导体发光二极 管LED（Light Emitting Diode），它们的共同 特点是：体积小，重量轻，耗电量小。 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。
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由图3.1可见：在T>0K时
若E=Ef：则f(E)=1/2，则说明该能级 被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。
故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
（2）LED：发光二极管或称发光管(LED),发出的是荧光。
a. 非相干的自发辐射； b.结构及工作方式简单；
适用于短距离，低速，模拟系统
缺点：谱线宽度较宽；调制速率较低；与光纤的耦合效率较低。
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半导体激光器（LD）图例
红光点状光斑激光器
工作参数 输出波长： 635nm 650nm 670nm 出光功率： 0～75mw 光斑直径： 图 3.1* 工作电压：3V 4.5V 5V 6V
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（1）光学谐振腔的结构（如图3.3）
在增益物质的两端，适当位置，放置两个反射镜 M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果平面镜，叫平面腔。如球面镜，叫球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1
的反射系数r=1，另一个为部分反射，如M2的反射系
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（3）受激辐射
这是另一种发光过程，处于高能级E2的电 子当受到外来光子的激发而跃 迁到低能级E1， 同时放出一个能量为2hf的光子，由于这个过程 是在外来光子的激发下产生的，因此叫受激辐 射。
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受激辐射的特点：
1°外来光子的能量等于跃迁的能级之差，hf=E2E1
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2、增益系数G 激活物质的放大作用，我们用增益系数G表示。如 图3.5、3.6所示：
I0为激活物质的输入光强，经过距离之Z后，光强放 大到I，到了（Z＋dZ）处，光强为（I＋dI），那么，在 dZ长度上，光强的增益dI为：
dI G I dZ

G
dI / dZ I
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（2）受激吸收 物质在外来光子的的激发下，低能级上的 电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级 上，这个过程叫受激吸收。 受激吸收的特点： 1°这个过程必须在外来光子的激发下才能产生， 因此是受激跃迁。 2°外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差， 如E=E2-E1=hf 3°受激跃迁的过程中，不是放出能量，而是消 耗外来光能。
Gt i 1 1 ln 2l r1r2
其中：Gt 称为阈值增益系数。
由上式可见，激光器的阈值条件，只决定于光 学谐振腔的固有损耗αi， αi 损耗越小，阈值条件Gt越 低，激光器就越容易起振。
第三章 半导体激光器与发光二极管 四、谐振频率 谐振频率是光学谐振腔的重要参数。 对平行平面腔而言，由于腔的尺寸可远大于 工作波长，因此，腔内的电磁波可认为是均匀平 面波，而且在腔内往返运动时，是垂直于反射镜 而投射，如图3.7： 由A发出的平面波→M2垂直返回→M1返回 →A时，波得到加强，如果它们之间的相位差正 好是2π的整数倍时，显然就达到了谐振。 设谐振腔的长度L，谐振腔介质中光的波长 λg，则满足相位差2π的整数倍时，有
§3-1 与激光器有关的概念
一、光子
1950年，爱因斯坦提出光量子学说。他认为光 是由能量为hf的光量子组成的，其中，h=6.626×10-34 J· S，称为普朗克常数，f是光波频率，人们称这些光量 子叫做光子。
不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的 光波它具有的能量只能是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反射。 光子概念的提出，使人们认识到，光不仅具有波 动性，而且还具有粒子性，而且两者不可分割（两重 性）。
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三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了 三种不同的基本过程如图3.2所示（下面简述E1、E2二能级系统 为例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，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： E 2 E1
称G为增益系数：它表示光通过单位长度的激活物 质之后，光强增长的百分比。
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3、阈值条件
一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激 光的，它需要满足一定的条件，由衰减系数的概念可 以看出，要使激光器产生自激振荡，最低限度应要求 激光器的增益刚好能抵消它的衰减，我们将激光器能 产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。 即：
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二、激光器的基本组成
电振荡器构成的三个条件：放大、振荡、反馈。而 激光振荡器也应由三部分组成： 1）有能够产生激光的工作物质（放大）。 2）有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励
源（振荡）。
3）有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔（反 馈）。
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f h
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自发辐射的特点如下： 1）这个过程是在没有外界作用的条件下， 而自发产生的，是自发跃迁。 2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的 能级，而发生自发辐射的高能级不是一个， 而可以是一系列的高能级，因此辐射光子 的频率亦不同，频率范围很宽。 3）即使有些电子是在相同的能级差间进行 跃迁，也就是辐射出的光子的频率相同时， 但由于它们是独立的，自发的辐射，因此， 它的发射方向和相位也是各不相同的，是 非相干的。
三、激光的参量
1、平均衰减系数α 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能 足以抵消腔内的损耗，而腔内损耗的大小，用平均衰减 系数α表示： 1 1
i r i
2l ln r1 r2
式中： i ：除反射镜M2透射损耗以外的其它损耗所引 起的衰减系数。 r ：谐振腔反射镜M2的透射损耗引起的衰减系数。 L：谐振腔两个反射镜之间的距离。 r1、r2：谐振腔两个反射镜的功率系数。