第10章 光发射机与光接收机
在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三 种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概
率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正 比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。
所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的
电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒
在这种情况下， 各个光子在时间上及方向上都不相同，这种 光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。 其发光机理如图 10.1 所示。
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图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射
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另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得 的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面 垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施 加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光 子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的 反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复 合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产 生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流 足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈 作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明 的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。
例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。
小。
InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗
异质结LD结构示意图
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半导体光源的发光机理
半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。
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能满足上述基本要求的光源是半导体光源。
最常用的光源
半导体激光器(LD)
中、长距离
大容量(高码速)系统
半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统
模拟系统。
第10章 光发射机与光接收机 10.1.1 激光二极管（LD）
1．基本结构
激光二极管的基本结构框图
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2．LD的工作原理
（1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价
带，高、平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数 目NC，即NVNC。
半导体材料电子能级示意图
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光发射机与光接收机
第10章 光发射机与光接收机 10.1 光源
光源的作用——把要传输的电信号转换成光信号发射去。 一、对光源的基本要求 (1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高
子数反转状态。
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（3）PN结的能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循
费米（Fermi）分布，即
P(E)
1
1exp[(EEf)/kBT]
在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大 多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产 生放大作用。
（2）半导体材料中电子能态的变化
① 自发辐射 发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干
光。 ② 受激辐射
发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子 相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。 ③ 受激吸收
在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量 而跃迁到高能级上 。
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光子能量E和波长λ之间的变换关系如下：
E(eV)1.2398m
(10.2)
例如, 砷化镓半导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极 管的辐射波长λ=1.2398/1.36=0.91μm。该波长处于近红外区， 在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长 波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的 有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的 有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。
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3．LD的类型结构 （1）同质结LD
由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结 LD。
例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。
GaAs同质结LD结构示意图
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（2）异质结LD
由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质 结LD，后者称为多异质结LD。
如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会 以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡 频率f之间的关系为
Eg=hf
(10.1)
式中，h为普朗克常数(h=6.626×10-34 J·s)。
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半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材 料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区 的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与 空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带 而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。
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（4）电激励 其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价
带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。 （5）光学谐振腔
前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光 学谐振腔。
其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形 成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射， 使放出的光子数目雪崩式地增加。