第03章光通信器件rendp

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)。
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（2/7）
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)。
➢ 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
➢ 半导体激光器基本结构
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（1/7）
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。
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光源的定义及类型
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。
光源的类型
➢ 半导体激光二极管（激光器(LD)） ➢ 发光二极管（发光管(LED)） ➢ 固体激光器
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3.1 光源---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。
子辐射出去，这种跃迁称 为自发辐射，见图3.1(b)。
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
E1
（b）自发辐射 图3.1 能级和电子跃迁
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（4/7）
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，见图3.1(c)。
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（6/7）
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，
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。
n
Ev
势垒 Ef
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（b）P-N结内载流子运动； 图 3.3 PN
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半导体激光器工作原理---PN结的能带和电子分布（4/4）
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（7/7）
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。 ➢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。
p(E)
1
1
E exp(
Ef
)
(3.3)
kT
式中，k为波兹曼常数，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。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
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半导体激光器工作原理---PN结的能带和电子分布（3/4）
源自文库
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， 见图3.3(a)。
内部电场
PN
P区
结空 间电
荷区
扩散 漂移
N区
（a）P-N 结内载流子运动
内部电场产生与扩散相反方 能量
向的漂移运动，直到P区和
p
Ec
n
Ec
N区的Ef 相同，两种运动
P区
处于平衡状态为止，结果能
带发生倾斜 ，见 图3.3(b)。 p Ev
N区
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
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半导体激光器工作原理---PN结的能带和电子分布（2/4）
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。
N2＞N1的分布和正常状态（N1＞N2）的 分布相反。所以称为粒子数反转分布。
如何得到粒子数反转分布？
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半导体激光器工作原理---PN结的能带和电子分布（1/4）
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 Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
《光纤通信》
第三章 通用光器件
赵继军
河北工程大学信息与电气工程学院
zhaojijun@hebeu.edu.cn
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本章内容
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件
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通用光器件的分类
光有源器件
➢ 光源 ➢ 光检测器 ➢ 光放大器
光无源器件
➢ 连接器 ➢ 耦合器 ➢ 波分复用器 ➢ 调制器 ➢ 光开关 ➢ 隔离器
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E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
(a) 受激吸收； 图3.1 能级和电子跃迁
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（3/7）
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
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E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
（c）受激辐射 图3.1 能级和电子跃迁
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半导体激光器工作原理---受激辐射和粒子数反转分布（5/7）
受激辐射和受激吸收的区别
➢ 受激辐射是受激吸收的逆过程。 ➢ 受激辐射和自发辐射产生的光的特点不相同。 ➢ 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。