原子的能级和半导体的能带
原子的能级
原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成； 原子中的电子只能在一定的量子态中运动 ； 轨道越高， 能量也越高 当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确 定的能量，称为原子的一个能级 能 量 E E4 E3 E2 E1
晶体的能带
晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不 同而分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有 一定宽度的带，称为能带。
半导体光源： 分类：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED) 半导体光源的优点： 体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性 易择波：半导体光源的物理基础决定了只要选择合适的 光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光 源器件； 易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱 宽度； 易调制：改变注入电流就可以改变输出光强，能够直接 进行强度调制； 易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较 高的耦合效率
特点： 发射光子的频率为：v ( E1 E2 ) / h E g=E2-E1 h=E2-E1 无外界作用，自发光跃迁； 独立、自发发射，非相干光 典型应用：发光二极管
受激吸收
E2 h = E2-E1 E1 E1 E2
特点： 外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差； 消耗外来光能，产生电子－空穴对。 典型应用：光电二极管

工作寿命长 光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光 源器件的工作寿命越长越好。光源器件寿命的终结并不 是我们所想象的完全损坏，而是其发光功率降低到初始 值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。 目前工作寿命近百万小时（约100 年）的半导体激光 器已经商用化。 体积小重量轻 光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这 些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻。
把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带， 而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为 导带
禁带 不能为电子所占据的能 量状态。 禁带的宽度又称为带隙 能量
Eg
光与物质相互作用的基本过程 自发辐射、受激吸收和受激辐射
自发辐射
E2 E1 E2 E1 h=E2-E1
温度特性好 光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大 小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度 下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常需 要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一 些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施。 发光谱宽窄 光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。 因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的 传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于长距 离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度 应该 小于2nm。
激射的一般基本条件
放大状态 若媒质中N2＞N1 ，则受激辐射占主导地位，光波经 过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。 N2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情 况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外 界的泵浦才能实现
粒子反转分布
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 1 p( E ) E Ef 1 exp( ) kT
K为波兹曼常数 T为热力学温度 Ef为费米能级，描述半导体中各能级被电子占据的状态 在费米能级，各能级被电子和被空穴占据的概率相同
势垒
Ef
零偏压时PN结的能带图
正向偏压下PN结的能带图
半导体激光器
基本原理 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通 过向PN结注入正向电流，当注入电流达到一定的阈值 后，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震荡。实现粒子数 反转分布的区域被称为有源区，半导体激光器的光激射 就发生在这个区域
光在空间中传播的时候主要表现出波动性；当光 与物质相互作用是，表现出粒子性。
光的波动性：解释光的传输特性 光量子学说：1905年，由爱因斯坦提出。认为光是 由光子组成的
E hv
E：光子能量 H：是普朗克常量
v：是波的频率
携带信息的光波，所具有的能量是E的整数倍。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被 吸收或者释放的 。
受激辐射
E2 h = E2-E1 E1 E1 E2 h = E2-E1
特点：外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的 光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。 典型应用：半导体激光器
光的吸收和放大
吸收状态 设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上 的电子密度为N2 ，当N2＜N1时，受激吸收过程占主导 地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸 收
光通信原理与技术
光源和光发送机
李玉权、朱勇、王江平编著

物质与光之间的互作用 半导体激光器 半导体发光二极管 光源的调制原要求 发射光波长适中 光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰 耗的0.85μm、1.31μm和1.55μm 附近。 发射光功率足够大 光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤 光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦 以上更好。在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯 的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意 义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足 10 微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦 合效率。
LD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱线窄 LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低 LED的缺点：谱线宽度宽，调制速率较低，与光纤的耦 合效率低
LD适用于长距离、大容量的传输系统 LED适用于短距离、小容量的传输系统
物质与光之间的互作用
光的波粒二象性 光既是一种电磁波又是一种粒子流，对光的波动 和粒子的双重性质称为波一粒二象性。