6
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。
围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2.
在大量原子相互靠近形的能量为：
hν12=E2-E1
式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；ν12 为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2. 受激辐射
在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能
级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同
相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激
辐射。
3. 受激吸收
在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从
低能级跃迁到高能级，变成自由电子。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
1.
在热平衡状态下，高能级上的电子数要 少于低能级上电子数。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
1.
按照器件输出光的方式，可以将发光
二极管分为三种类型结构：表面发光二极
管、边发光二极管及超辐射发光二极管。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
2. LED
LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外
加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴) 和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和 电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双 异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P 区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终 克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。
用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光 二极管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极 管。 一种增益波导型激光二极管的类型结构如图5.6所 示，图中虚线之间的部分为电流流经的区域。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
一种扩散条形激光二极管
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
半导体的能带结构
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地
从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)
运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价
带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。
由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散
能级变成能带。在图5.2中，半导体内部自由电子所
填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带
；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，
其 宽 度 称 为 禁 带 宽 度 ， 用 Eg 表 示 ， 单 位 为 电 子 伏 特 (eV)。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2.
为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和
/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布
状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
发光二极管的工作原理
半 导 体 发 光 二 极 管 ( Light-emitting Diode，LED) 可以覆盖整个光纤通信系统 使 用 波 长 范 围 ， 典 型 值 为 0 . 8 5 μm、 1.31μm及1.55μm。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
激光二极管的工作原理
在结构上，半导体激光二极管
(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器
是相同的，都主要由三部分构成：激励源
、工作物质及谐振腔。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
(1) 在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作
第4章 光纤通信系统
本章主要内容
4.1 系统概述 4.2 光纤传输线 4.3 光纤传输设备 4.4 光路无源器件 4.5 光纤通信系统的总体设计 4.6 光纤通信新技术
4.1 系统概述
光纤传输设备包括： 终端设备 中继设备 即光端机和光中继机。
4.3.1 光发射机
光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传
4.3.1.1 光 源
（1）合适的发射波长 光源的波长必须在石英光纤的三个低损耗窗口内。
即三个典型值：0.85μm、1.31μm和1.55μm)；目前 第一窗口已基本不用，第二个窗口正在大量使用，并逐 渐向第三个窗口过渡。
4.3.1.1 光 源
(2)合适的输出功率和效率 发射功率=接受灵敏度+系统损耗。
拱棱波导条形激光二极管
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
2.
LD的工作原理可以归纳如下：当给LD外
加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反
转分布而首先发生自发辐射现象。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发
辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放
输光纤。
光发射机=光源+驱动电路+辅助电路
4.3.1.1 光 源
两种半导体光源 发光二极管（LED）：
输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。 适用短距离低速系统 激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。 适用长距离高速系统
发光二极管(LED)和激光二极管(LD)
大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反
射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播
受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有
源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面
外面输出激光。
4.3.1.1 光 源
光纤通信系统对光源的要求：
（1）合适的发射波长； （2）合适的输出功率和效率； （3）谱线宽度窄、以降低光纤色散的影响 （4）辐射角小、与光纤的耦合效率高 （5）调制特性好、线性好、带宽大 （6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省