半导体激光器与发光二极管

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引言
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. （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
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
§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
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
Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。
引言
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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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
•
设低能级上的粒子密度为N1，高
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
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
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。
• §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
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
图 3.1*
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：
工作电压：3V 4.5V 5V 6V
发光二极管图例
•
图 3.2*
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
子运动的能量只能有某些允许的数值，这
• 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。
•
在热平衡条件下，能量为E的能
级被一个电f (E子) 占据1 的概 率为1 ：
1 e[(EE f ) / K0T ]
• （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。
•
• 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
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。
级之差：即
，则发射光子的频率：
hf E2 E1
f E2 E1 h
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。
第三章 半导体激光器与发光二极管
•
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
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。
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
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E exp(
百度文库

Ef
)
KT
•
式f (E中) ： （概率） ：为电子的费米
分布函数
K 0 1.38 10 34 J / K
• 数 Ef
•
Ko：玻耳兹曼常 ，
T：绝对温度
•
：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：
•
由图3.1可见：在
（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。