4光源与光发射机

E E2
h
E1
入射光
h 感
应 光
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
□受激吸收 E1上的电子吸收光子跃迁到E2上，
感应光子能量
h =E2-E1
在外来光子激励下，电子吸收外 来光子能量，从低能级跃迁到高能级， 变成自由电子。 半导体光检测器是受激吸收工作的光 电器件。
E E2
h
E1
晶体中电子的跃迁
E2
h
E1
自发辐射跃迁
E2
h
E1
受激吸收跃迁
E2
h
h
h
E1
受激辐射跃迁
受激辐射的光子 与原光子具有相 同的波长、相位
和传播方向
4.1.3粒子数反转分布状态
晶体中电子按能级的分布 处于E2上的电子数N2 处于E1上的电子数N1
大量分子在没有外加能量的热平衡条件下，电子按能 级的分布符合玻尔兹曼分布： N2/N1=exp(-(E2-E1)/Kt) k: 玻尔兹曼常数。k=1.38•10-23 J/K T: 晶体的绝对温度 (0K=-273℃)
光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。 主要差别：
发光二极管输出非相干光（自发辐射）； 半导体激光器输出相干光（受激辐射）。 比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱 动电路相对简单，另外制作成本低、产量高。 LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。 LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只 适用于速率较低的通信系统。 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器LD作光源。
恰好为E＝hv＝E2－E1的外来入射光的照射 时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低 能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同 频率、相同相位和相同传播方向的光子，这 种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受 激辐射
hv=E2-E1 入射光子和感应光子的频率，相位，偏振方
向，传播方向相同。------相干光（全同光）。 半导体激光器是受激辐射的发光器件。
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带 4.1.2 光与物质的相互作用 4.1.3 粒子数反转分布状态
4.2 光源的工作原理 4.3 光源的工作特性 4.4 光发送机 4.5 驱动电路与辅助电路
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转， 每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层 的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高， 这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。
=h =E2-E1
h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳·秒
对于大量电子，自发辐射光具有不同的相位， 偏振方向，传播方向------非相干光。
半导体发光二极管是自发辐射发光器件。
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
□受激辐射 当处于高能级E2的电子，在受到光子能量
4.1.3粒子数反转分布状态
晶体中电子按能级的分布

通常情况下，N2<N1，

高能级上的电子数少。
光经过晶体时，受激吸收占主要地位，光被衰减吸 收。
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。
光纤通信第四章
光源与光发送机
驱动电路
光源
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调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光发送机
将电信号转变为光信号
在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射 机来完成的。光源是光发送机的核心器件。
光源：实现电 光变换。 半导体光源: □半导体激光器 LD □发光二极管 LED
4.1 半导体光源的物理基础
E5 E4 E3(8)
E2(8)
＋14e
E1(2)
硅原子的能级图
能级图就是用一系列高低不 同的水平横线来表示各个量 子态所能取的能级E1、E2、 E3、E4……。
补充知识：泡利不相容原理
泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电 子占有 。

根据泡利不相容原理，固体材料中电子的基态能级
为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多 种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态 (泵浦技术），这些方法包括光激励方法、电激励 方法等。
粒子数反转分布必要条件：多能级物质
当用hf31＝E3—E1的外界激励去激发激 光物质时，处在低能级E1上的电子被激发到了 高能级E3上，但因在E3能级上寿命很短，很快 跃迁到亚稳态级E2上，结果在E2与E1之间形 成“粒子数反转分布”。这种处于E2亚稳能级
低能带---- 价带 高能带---- 导带 带隙 ------ 禁带 Eg
E2 E1
导带
价带
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁

通过和外界交换能量，原子所处的能级发生跳
变
E

----能级的跃迁。
E2
□自发辐射
h
处在E2上的电子自发地跃迁到E1上，并发
E1
射一个光子，光子频率为，能量为：
4.2.1发光二极管
工作原理：LED发射的是自发辐射光（非 相干光）。大多采用双异质结结构，把有源 层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐 振腔，由于自发辐射而发光。
和激发态能级将分裂成能带。对半导体，基态能级分裂
成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在
一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。
4.1.2 光与物质的相互作用
晶体的能带
电子在原子之间作共有化运动，受相邻原子的影响，原 子的能级扩展为能带。
半导体内部自由运动的电子(简称 自由电子)所填充的能带称为导带； 价电子所填充的能带称为价带；导 带和价带之间不允许电子填充，所 以称为禁带，其宽度称为禁带宽度， 用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。
上的电子是不稳定的，它可以自发跃迁到低能
级E1而辐射出频率为f21＝E2—E1／h的光子。
粒子数反转分布形成示意图
E hf 31
E3
E2
hf 21
E1
第四章 光源与光发送机
4.2 半导体光源的工作原理
4.2.1 LED工作原理 4.2.2 LD工作原理
4.2半导体光源工作原理
LD与LED
激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是 半导体激光器LD倍受重视。