光辐射与光吸收
原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式 发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若交换的能量是 光能，则称为光跃迁。光跃迁同时存在着光的自发 辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。
光辐射与光吸收
自发辐射：
处于高能态的电子按照 一定的概率自发地跃迁到低 能态上，并发射一个能量为 E2-E1的光子；
光辐射与光吸收
当系统处于热平衡状态时
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 电子 总是首先占据低能量的轨道。

的N反2＞常N情1的况情，况称是之一为种粒处子于数非反热转平分衡布状，态必下须
第三章 光源和光检测器
3.1 光电器件一般工作原理 3.2 半导体激光器 3.3 半导体发光二极管 3.4 光电检测器
主要内容
光电器件一般工作原理 半导体激光器 ：原理、特性、结构，典型 的半导体激光器 半导体发光二极管 ：原理、结构、特性 光电检测器 ：PIN 、APD
半导体光源和光检测器优点
对于半导体激光器，当注入电流大于阈 值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足 驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频 率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形 成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使 输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕 一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡 的模式就称为激光器的纵模。
半导体激光器的模式增益谱
F-P腔中满足谐 振条件的纵模是均 匀分布的：
激光器的纵模性质
纵模数随注入电流变化 (电流增加纵模数减小）
P区
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
PN结
费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在 费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。
内建电 场由N 区指向 P区
PN结
当正向电压加大到某一值后， PN结里出现增益区（有 源区）。
在Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子 占据，即实现了粒子数反转分布。 势垒降低，费米能 级分裂
光子随机 地向各个方向 发射，每次发 射没有确定的 相位—非相干 光。LED发光。
光辐射与光吸收
受激辐射 ：
处在高能态的电子在外界 光场的感应下，发射一个和感 应光子相同光子态的光子，跃 迁到低能态。
光辐射与光吸收
受激吸收 ：
如果入射光子的能量h 近似等于E2-E1，光子能量就 会被吸收，同时基态上的电 子跃迁到高能态。半导体光 检测器基于这种效应。
法布里—珀罗（F-P）谐振腔
F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它 由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导 体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成 正反馈。
实现稳定振荡必须满足的
振幅条件
GF 1
相位条件 GF 2m
m为整数
G和F分别为基本放大器和反馈网络的正 向传输函数
振幅条件
光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和 衰减两大相互矛盾因素的共同作用
一方面，在外部激励源的作用下，激光 器内部形成粒子数反转的有源区，往返传输 的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断 增强。
另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜 面的反射衰减（镜面反射率总是小于1）、 工作物质的吸收和散射衰减等
3.2 半导体激光器
LD 适合于作高速长距离光纤通信系统的光 源。 优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦合 效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。 激光二极管LD通过受激辐射发光； LD可以发出单色性和定向性好、强度和相干性高 的光
自激振荡原理
放大器： 有源区（又称为增益 区）是实现粒子数反 转分布、有光增益的 区域
光辐射与光吸收
N2＜N1
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
N1＜N2
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。
称为激活物质。
当光信号往返传输一周幅度不发生变化 时称为达到阈值状态。
相位条件
沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差 为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相 位延迟为2π·(2nL/λ)
则发生相长干涉的条件：
2π·(2nL/λ)＝q ·2π q为整数
即： 2nL/λ＝q
又： =c/ λ 则
谐振腔的选频特性
要有外界的泵浦才能实现
能带理论——针对半导体材料 导带 禁带
价带
N型半导体中过剩电子占据了导带 P型半导体中过剩空穴占据了价带
PN结
在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存 在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内 部电场
内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种 运动处于平衡状态
光反馈装置 ： 光学谐振腔提供必要 的正反馈以促进激光 振荡
半导体激光器中增益区的形成
半导体激光器是一种PN结构成的二极 管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当 注入电流达到一定的阈值后，在结区形成 一个粒子数反转分布的区域，价带主要由 空穴占据，而导带主要由电子占据。对于 光子能量满足Eg＜hv＜e0V 的光子有光放 大作用，这个区域被称为有源区，半导体 激光器的光激射就发生在这个区域
体积小 效率高 可靠性高 工作波长与光纤低损耗窗口相对应 便于与光纤耦合 工作速率高
3.1 光电器件一般工作原理
光辐射与光吸收
能级理论：
原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组 成； 能级所对应的能量值是离散的。 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能 量发生能级跃迁；
q

q
c 2nL
q

c 2nL
谐振腔的选方向性
在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的 受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大 的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放 大。
非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃 逸出腔外。
激光器的模式分析
F-P腔激光器的模式类型
纵模的概念与性质