第3章 通信用光器件new

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1、第3章通信用光器第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性3.1.3分布反馈激光器通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。3.1.4发光二极管3.1.5半导体光源一般性能和应用有源器件包括光源、光检测器和光放大器。3.2光检测器光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制3.2.1光电二极管工作原理3.2.2PIN光电二极管器、光开关和隔离器等。3.2.3雪崩光电二极管(APD)3.2.4光电二极管一般性能和应用3.3光无源器件3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3.3.3光隔

2、离器与光环行器3.3.4光调制器返回主目录3.3.5光开关3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1光源半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换转分布，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。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1.受激辐射和粒子数反转分布管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。场合也使用固体激光器。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基本节首先介绍半导体激光器

3、(LD)的工作原理、基本结态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的迁有三种基本方式：受激吸收、自发辐射、受激辐射(见图发光管(LED)。3.1)(1)受激吸收E2初态E2初态E2初态在正常状态下，电子处于低能级E，在入射光作用下，它会hfhf12112hf12吸收光子的能量跃迁到高能级E上，这种跃迁称为受激吸收。电2E1E1E1子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(

4、a)。(2)自发辐射E2终态E2终态E2终态在高能级E的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也2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E1E1E1辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。(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(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射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)。能级和电子跃迁1受激辐射和受激吸收的区别与联系产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能

5、级之间物质中，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N1和N2。E2-E1=hf12(3.1)当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布: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。NE−E2=exp(−21)(3.2)NkT受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。1受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温同，这种光称为相干光。度。由于(E2-E1)>0，T>0

6、，所以在这种状态下，总是N1>N2。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。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。2.PN结的能带和电子分布受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成系数(吸收和辐射的概率)相等。能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-物质时，光强按指数衰减，这种物质

7、称为吸收物质。Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种能量导带EEcEcc物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。Eg/2EfEEEgfEggEE/2fN2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称gEvEEvv为粒子(电子)数反转分布。价带问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将(a)(b)(c)在下面加以叙述。图3.2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型半导体一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，图3.2示出不同半导

8、体的能带和电子分布图。根据量子统用Ef位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。计理论，在热平衡状态下，能量为E