光接收机与光发射机

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1、第三章光发送机和光接收机本章内容§3.1激光产生的物理基础§3.2半导体激光器和发光二极管§3.3光源的调制§3.4光发送机§3.5光检测器件§3.6光接收机§3.1激光产生的物理基础能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。硅原子的能级图能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4……，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相

2、容原理，同一量子态不可能有两个电子。能级的跃迁原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子跃迁，电子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。考虑两能级的系统，高能级E1和低能级E2，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于（E2-E1）>0，T>0，所以在热平衡状态下，总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。三种能级跃迁的方式自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能机

3、E1上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上。受激辐射：处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。光的吸收和放大光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得

4、低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。激光器的一般工作原理激光器的产生激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是

5、一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。产生激光的三个先决条件：要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。把激光工作物质置于光学谐振腔。激光器的构成所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加上一块平面反射镜，使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射，两块反射镜中的一块，其反射率理想情况应为100％，另一块需要开一个孔以便输出激光，故反射率应在90％左右。L满足粒子数反转分布的激光工作物质部分反射镜激光器的构成图反射镜激光输出光学谐振腔的作用在光学谐振腔中，沿着光学谐振腔

6、轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光，这种由于光学谐振腔而产生的往复传播作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而使其中的光能密度不断增加，这样可以使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条件下，受激辐射占了绝对优势。产生激光的阈值与相位条件阈值条件——光的增益和损耗应满足的平衡条件：G0:光功率的小信号增益系数;i:损耗系数;L:光学谐振腔的长度;R1、R2：激光器两个反射镜的反射率。相位条件——在谐振腔中，只有满足相位

7、平衡条件的光波，才能往复反射能得到加强：q=1，2，3……;q:光在激光工作物质中传播时的波长;n:折射率;L:谐振腔的腔长LD的发光原理本征半导体的能带分布：EV（价带），Eg（禁带），EC（导带）费米－狄拉克统计分布：每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率服从费米分布函数E：某一能级的能量值；K：波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23J/K；T：绝对温度；Ef：费米能级。费米能级是反映电子在各能级中分布情况的参量当E-Ef<>KT,能级几乎被空穴占据§3.2半导体激光器和发光二极管各种半导体中

8、电子的统计分布(a)本征半导体(b)兼并型P型半导体(c)兼并型N型半导体本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于价