第1章光源与光检测器

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1、第3章光源与光检测器3.1半导体LD的工作原理3.2输出光功率及光源与光纤的耦合3.3LD的输出光谱3.4LD的调制响应3.5LD的温度特性与自动温度控制（ATC）3.6LD的输出光功率稳定性与自动功率控制（APC）3.7DFB和DBR激光器3.8调谐激光器3.9其他类型的激光器3.10激光器组件3.11半导体LED3.12光检测器3.13PIN3.14APD习题三3.1半导体LD的工作原理3.1.1光放大1.受激辐射的概念大家已经知道，任何一个物理系统如原子内部的电子是处于不同的能量轨道上的，电子在每一个这样的轨道上运动时具有确定的能量，称为原子的一个能级。能级图就是用一系列的水平横线来

2、表示原子内部的能量关系的。当原子中的电子与外界有能量交换时，电子就在不同的能级之间跃迁，并伴随有能量如光能、热能等的吸收与释放。考虑一个具有二能级的原子系统，能级为E1和E2，且E2>E1，如果照在其上的光波频率为fc，且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1,h为普郎克常数，h＝6.63×10-9(J·s)，则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁，E1→E2和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2，原子从E2跃迁到E1放出一个光子，其能量与入射光子的能量hfc一样，前者称为受激吸收，后者称为受激辐射，它与自发辐射是不同的，它们合称为光与物质之间的三种相

3、互作用,即自发辐射、受激吸收、受激辐射。如果受激辐射超过受激吸收而占主导地位，则入射的光信号会引起E2→E1之间的跃迁多于E1→E2之间的跃迁，导致了能量为hfc的光子数的净增加，入射的光信号得到了放大，如图3.1所示；否则，光信号将被衰减。图3.1二能级原子系统的受激辐射与吸收根据物理学原理可知，每个原子的E1→E2的跃迁速率和E2→E1的跃迁速率是一样的，可以用r表示。如果假设能级E1和E2上的粒子数（电子的数目）分别为N1和N2，则功率净增益（单位时间的能量）为（N2-N1）rhfc。显然，如果要实现信号放大，该值必为正,即（N2-N1）>0,N2>N1。这一条件称为粒子数反转分布。

4、之所以称为粒子数反转分布，　是因为在正常热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的,入射的光信号总是被吸收。2.半导体光放大（器）尽管半导体光放大器用来放大光信号时的性能不如EDFA放大器（在第5章介绍），但实际上对它的研究比EDFA还早。人们发现它除了用于光放大之外还可用于光开关、波长变换器（这是光纤通信的两个关键器件），所以学习它也是理解半导体激光器（使用最广的发光器件）的基础。图3.2给出了半导体光放大器SOA的框图。SOA实际上是一个PN结，由下面的分析可知，中间的耗尽层实际上充当了有源区，当光通过有源区时，光由于受激辐射而得到了放大。由于放大器的增益是

5、波长的函数，因而放大器有源区的两端面上镀有防反射涂层（AR），以减少放大器的带内增益波动。而激光器没有防反射涂层（AR）。图3.2半导体光放大器的结构半导体光放大器SOA与EDFA放大器的不同在于实现粒子数反转分布的方式是不同的。首先,半导体SOA的粒子不是处于不同能级上的原子，而是半导体材料中的载流子,即电子或空穴。半导体有两个由电子能级构成的能带：一个是由许多能级构成的能量低的价带;另一个是由许多能级构成的能量高的导带。电子或空穴可以处在不同的能级上。导带与价带之间称为禁带，能量差为Eg，中间不存在能级。对于一个P型半导体，在热平衡状态下只有很少的电子位于导带中，如图3.3(a)所示。

6、类似前面的讨论,将导带看作能量高的E2能级，将价带看作能量低的E1能级，这里的高低是指电子在能带上的能量。在粒子数反转分布情况下，导带中的电子数是很多的，如图3.3(b)所示。这时如有光照射，将有更多的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比），实际上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的条件。图3.3P型半导体的能带和电子数(a)热平衡;(b)粒子数反转图3.4用作放大器的正向偏置的ＰＮ结(a)ＰＮ结；(b)没有正向偏置电压时的少数载流子和耗尽层；(c)施加正向偏置电压Uf时的少数载流子和耗尽层半导体的粒子数反转分布可以通过对PN结加

7、正向偏压来实现。PN结由P型和N型半导体组成。P型半导体是在半导体中掺入合适的原子，如III族的磷P，使它有多余的空穴。相反，N型半导体中掺入合适的原子，如VI族的铟In，使其有多余的电子。为了理解PN结，可以将空穴理解为与电子一样的电荷载流子，只是极性与电子相反。当P型和Ｎ型半导体并行放置时，如图3.4(a)所示，则Ｐ型半导体中的空穴将向Ｎ型半导体扩散，Ｎ型半导体中的电子将向Ｐ型半导体扩散，将形成如图3.4(b)所示的