光纤通信 第三章光源与光发射机

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1、光纤通信Fiber-OpticCommunicationTechnology2009/2010学年第二学期第三章光源与光发射机主要内容一、半导体中光的发射和激射原理二、半导体发光二极管(LED)三、半导体激光二极管(LD)四、数字光发射机光纤通信系统对光源的要求（1）合适的发射波长，光纤的低损耗窗口；（2）足够大的输出功率，较长的传输距离；（3）较窄的发光谱线，减少光纤色散的影响；（4）易于与光纤耦合，提高耦合效率，确保更多的光功率进入光纤；（5）易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；（6）要求在室温下能连续工作，

2、可靠性高，寿命至少在10万小时以上。一、半导体中光的发射和激射原理能级光与物质的相互作用半导体材料的能带结构半导体PN结光源发光波长直接带隙和间接带隙材料异质结能级原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子的能量不连续的分立的内能称为能级。处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。光与物质的相互作用自发辐射——电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射——高能级电子受到外来光子作用，被迫跃

3、迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收——低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。能量低的能带是价带，相对应于原子最外层电子（价电子）所填充的能带，处在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，

4、可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。费米能级通常情况下（热平衡条件下），处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级间分布符合费米统计规律：是能量为的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数。为费米能级，与物质特性有关，不一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒子占据能级状况的标志。低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。半导体PN结光源PN结在正向偏置时，N区的电子及

5、P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放出光能，实现发光。这种发光是一种自发辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。发光波长半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为直接带隙和间接带隙材料由于半导体内光子与电子之间的相互作用所导致的电子的跃迁除需要满足能量守恒条件之外，还必须满足动量守恒条件。光子的动

6、量与电子的动量相比可以忽略，因此，电子的跃迁前后应具有相同的动量，也即有相同的波矢量。根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料和间接带隙材料。在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。而在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。（1）硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。

7、（2）碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。（3）砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的Ⅲ—Ⅳ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长合金化合物半导体AlxGa1-xAs（GaAs和AlAs）经验公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2同质结上述发光原理的PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、

8、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深，从而致使损耗增大，发光区域较宽。构成的光源有很大的缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不能在室温下连续工作。异质结由带隙及折