1、#*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。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。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
2、态和高能级 E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图 3.1)#*#*#*(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。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图 3.1(a)。(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)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上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃
3、迁称为受激辐射，见图 3.1(c)。 受激辐射和受激吸收的区别与联系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，(3.1)式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f 12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 E
4、2(E2E1)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(3.2)#*式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。由于(E 2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是 N1N2。 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 N1N2，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 N2N1，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。N2N1的分布，和正常状态(N 1N2)的
5、分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：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在半导体中，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。#*(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(3.3)式中，k 为波兹曼常数，T 为
6、热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。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，见图 3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为 P 型半导体，见图 3.2(c)。在 P 型和 N 型半导体组成的 PN 结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图 3.3(a)。#*内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到 P 区和 N 区的 Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止
7、，结果能带发生倾斜，见图 3.3(b)。#*增益区的产生：在 PN 结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使 N 区的电子向 P 区运动，P 区的空穴向 N 区运动，最后在 PN 结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。#*3. 激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为 R1 和 R2 的平行反射镜构成( 如图 3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。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。(a) 激光振荡； (b) 光反馈在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为(3.4)式中， th 为阈值增益系数， 为谐振腔内激活物质的损耗系数，L 为谐振腔的长度，R 1，R 21 为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为
