第3章通信用光器件 光纤通信 optical communication 教学课件

2020/10/3
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(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 射。
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玻耳条件，即
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Ec Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
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图 3.2 半导体的能带和电子分布
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示。
在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。在N型半导 体中Ef增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减小。
在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体。在P型半导 体中Ef 减小，导带的电子较少，价带的空穴相对增多。
结空
P区
P区
间电
N区
荷区
势垒 E
f
扩散 漂移
(a) P N载流子的运动
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N区
n
p
Eபைடு நூலகம்
E
v
v
(b)零偏压时P N结的能带倾斜图
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p
Ec
hf
p
Ef
p
Ev
n
Ec
n
hf
Ef
n
Ev
内部电场
外加电场
电子，
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 ———这些是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用/解复用器、
调制器、光开关和隔离器、衰减器等。 —— 这些是光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
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：
p(E)
1
1
exp
E
Ef kT
(3.3)
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式中，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能 级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。
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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?
2. 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
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：
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N2 N1
expE2kTE1
(3.2)
式中， k=1.381×10-23J/K，为玻耳兹曼常数，T为热力学的绝对
E2 E1= h f12
(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。
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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。
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正比于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。
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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(E/O)。
目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极 管(LD)和发光二极管(LED)，有些场合也使用固体激光器。
半导体光源体积小，发光面积可以与光纤芯径相比较，有 较高的耦合效率；
发射波长适合在光纤中低损耗窗口；
可以直接进行强度调制，即只要将信号电流注入半导体 LD或LED，就可以得到相应地光信号输出；
E1
终态
hf12 hf12
(b) 自发辐射；
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(c) 受激辐射
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(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。
(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。
高不可或缺的器件。
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本章内容:
光源：半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)
光电检测器：PIN和APD光电二极管 无源光器件：
光纤连接器, 光耦合器, 光隔开器, 光环行器, 光调制器, 光开关等。
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3.1 光源
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在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流 子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区
的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。
内部电场
p
n
能量
E
E
c
c
PN
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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
激发态 E2
hf12
基态 E1
E2 初态 E1
初态 E2
hf12
E1
初态
E2
E1
(a) 受激吸收
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终态 E2 E1
终态 E2 hf12