光纤通信--通信用光器件.pptx

第3章通信用光器3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件第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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(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=234…)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(见图3.1)：图3.1能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射(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见图3.1(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见图3.1(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见图3.1(c)。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(3.1)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。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=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数T为热力学温度。由于(E2-E1)>0T>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。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如图3.2。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型半导体图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论在热平衡状态下能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布图3.3PN结的能带和电子分布(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图一般状态下本征半导体的电子和空穴是成对出现的用Ef位于禁带中央来表示见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质称为N型半导体。在N型半导体中Ef增大导带的电子增多价带的空穴相对减少见图3.2(b)。在本征半导体中掺入受主杂质称