光纤和光缆第3章通信用光器件试卷.ppt

第3章通信用光器件
光源
光检测器
光无源器件
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。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED),有些场合也使用固体激光器,例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。 本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性,然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD),最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。
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。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。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。
1. 受激辐射和粒子数反转分布 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。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(): (1) 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,(a)。
(2) 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,(b)。 (3) 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,(c)。
图 能级和电子跃迁
(a) 受激吸收;(b) 自发辐射;(c) 受激辐射
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波尔条件,即  E2-E1=hf12() 式中,h=×10-34 J·s,为普朗克常数,f12为吸收或辐射的光子频率。 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。
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,存在下面的分布式中,k=×10-23 J/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。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。
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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。问题是如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述。 2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中,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。
图 半导体的能带和电子分布
(a) 本征半导体;(b) N型半导体;(c) P型半导体