《光纤通信》第4章 复习思考题参考答案

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1、原荣编著《光纤通信（第3版）》第4章复习思考题参考答案4-1简述半导体发光基理答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出，如图4.2.1所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。能带差和发出光的振荡频率之间有的关系，h是普朗克常数，等于6.625´10-34J×s 。由得出（mm）（4.2.1）式中，c为光速，取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。图4.2.1半导体发光原理4-2简述激光器和光探测器的本质区别答：发光过程，除自发辐射外，还有受

2、能量等于能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b）所示。图4.2.2光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于的光照射到占据低能带的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c）所示，这就是光接收器件。9原荣编著《光纤通信（第3版）》4-3自发辐射的光有什么特点答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向

3、各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a）所示。4-4受激发射的光有什么特点答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。4-5如何才可能实现光放大？答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受

4、激发射和受激吸收发生的概率相同。用和分别表示高、低能带上的电子密度。当时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使，g>0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.3所示。4-6说出产生激光的过程答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发

5、生的概率相同。用和分别表示高、低能带上的电子密度。当时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使，增益系数g>0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.2（b）和图4.2.3所示。半导体材料在通常状态下，总是，因此称的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。9原荣编著《光纤通信（第3版）》（a）没有偏置时的能带图（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒

6、子数反转，发生受激发射图4.2.3半导体激光器的工作原理半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在1.3.2节中，我们已讨论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（CleavedFacets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图4.2.4所示。要使光在谐振腔里建立起稳定

7、的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50%耦合进入光纤，如图4.2.3（a）所示。后端面发射的光，由封装在内的光电检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图4.2.3（a）没有画出）。图4.2.5表示半导体激光器频谱特性的形成过程，它

8、是由谐振腔内的增益谱和允许产生的腔模谱