第 3 章 通信用光器件 通信用光器件 可以分为 两种类型 ： 1 、 有源器件 2 、无源器件

1. 第 3 章 通信用光器件 通信用光器件可以分为两种类型： 1、有源器件 2、无源器件

2. 1、有源器件 有源器件包括光源、光检测器和光放 大器，这些器件是光发射机、光接收机和 光中继器的关键器件，和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。

3. 2、光无源器件 光无源器件主要有连接器、耦合 器、光合波器和光分波器、光滤波器 和隔离器等。这些器件对光纤通信系 统的构成、功能的扩展和性能的提高 都是不可缺少的。

4. 本章重点要求： 1、了解光源和光检测器的概念及其 在光纤通信系统中作用； 2、理解激光器的发光机理； 3、掌握发光二极管、半导体激光器、 光电二极管、雪崩光电二极管等的工作原 理及其主要特性。

5. 3.1 光源 光源是光发射机的关键器件，其功能 是把电信号电流转换为光信号功率,即实现 电/光转换。 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)。

6. 对光源性能的基本要求 1 光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗 口，其中心波长分别为 850 nm、1310 nm 和1550 nm。因此，光源的发光波长应与 三个低损耗窗口相符。

8. 2 足够的光输出功率 在室温下长时间连续工作的光源，必 须按光通信系统设计的要求，能提供足够 的光输出功率。 目前激光二极管能提供500微瓦到10毫瓦的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦到1毫瓦的输出光功率。

9. 3 可靠性高、寿命长 现在的激光二极管可靠性比较高，寿命长。 激光二极管寿命105小时，发光二极管寿命107小时。

10. 4 温度稳定性好 器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好。 5 调制特性好 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。

11. 6 光谱宽度要窄 光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 LD 线宽< 2nm； LED线宽在100nm左右。

12. 7 与光纤之间的耦合效率高 光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。 目前一般激光的耦合效率为 20% ~30% 较高水平的耦合效率可超过 50%

13. 8 体积小，重量轻 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为合适的光源。

14. 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、受激辐射和粒子数反转分布 （一）基本概念 （1）半导体激光器 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。

15. （2）激光 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。

16. （二）光和物质相互作用 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。

17. 1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生:1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生: (1)受激吸收 (2)自发辐射 (3)受激辐射 三种基本物理过程。

18. (1)受激吸收 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。受激吸收将使外界光能减少。

19. (2) 自发辐射 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，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。

20. (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 E1上，释放的能量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。

21. 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 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。

22. （三）相干光和非相干光 （1）相干光 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。

23. （2）非相干光 自发辐射的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。

24. （四）粒子数反转分布 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) 的粒子数分别为 N1和 N2。

25. 在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。 式中，k = 1.381×10-23 J/K，为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。由于 (E2-E1) > 0，T > 0， 所以在这种状态下，总是 N1 > N2。

26. （1）吸收物质 我们把这种 N1 > N2分布称为粒子数正常分布,如图。在热平衡状态下，N1 > N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光波总是被吸收，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。

27. （2）粒子数反转分布 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，所以称为粒子数反转分布。

28. 问题是: 如何实现粒子数反转分布的状态呢?

29. （1）要在能级间实现粒子数反转分布，物质系统中必须存在3个能级或3个以上的能级。理论证明，在二能级的物质系统中，能级间不可能形成粒子数反转分布的状态。（1）要在能级间实现粒子数反转分布，物质系统中必须存在3个能级或3个以上的能级。理论证明，在二能级的物质系统中，能级间不可能形成粒子数反转分布的状态。 （2）在半导体光源器件中，通常是利用外加适当的正向电压来实现粒子数反转分布的状态的。

30. 二 、PN结的能带和电子分布 （一）能带概念 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。

31. 内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。 电子填充能带时，将从最低能带开始向上依次填充各个能带的能级。

32. （1） 价带 原子最外层的价电子所占据的能带称为价带。（价带中的电子不能导电，价带中只有空穴才能导电）； （2）导带 价带上面邻近的空带，即自由电子占据的能带称为导带。 原子的电子与空穴的复合发光过程，主要发生在导带和价带之间。

33. （3）满带 除了最外层外，内层所有能带都被电子填满，故称为满带。 （4）禁带 导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。

34. （二）电子分布 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： 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，它是半导体的一个参数。

35. 当能级E < Ef，p(E) > 0.5时，说明这种能级被电子占据的概率大于50%；当能级E > Ef，p(E) < 0.5时，说明这种能级被电子占据的概率小于50%。 也就是说，低于费米能级Ef 的能级被电子占据的概率大，高于费米能级Ef 的能级被电子占据的概率小。

36. （三）P型半导体和N型半导体的能带 （1）接触前P型、N型半导体的能带图 主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当重掺杂时，费米能级会进入价带，称为简并型P型半导体； 主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，费米能级会进入导带，称为简并型N型半导体。

37. 接触前PN半导体的能带图

38. （2）接触后P型、N型半导体的能带图 当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。 因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。

39. 接触后PN半导体的能带图

40. （3）外加正向偏压下 PN 结半导体的能带图 当PN结加上正向偏压时，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带中费米能级以下充满了电子，价带中费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的有源区。

42. 外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。

43. 在激活区，电子空穴对复合发射出光

44. 三 、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

45. 1、法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔 激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜与反射率为90%~95%（R<1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(FabryPerot，F-P)谐振腔。

46. 法布里-珀罗(F-P) 谐振腔

47. 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出，即为激光。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出，即为激光。

48. 2、阈值条件及相位条件 要产生激光振荡还必须满足阈值条件及相位条件。

49. （1）、阈值条件 由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，光波在谐振腔内往返一次应保持不变，即

50. 激光振荡需要满足的阈值条件为 式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2< 1 为两个反射镜的反射率。