2．光环形器.PPT

第3章 通信光器件;第3章 通信光器件;3.1 光源;3.1.1 与激光器相关的几个物理概念;图3-1 晶体中的能级;3．光与物质的三种作用形式 与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。 1）在正常状态下，电子通常处于低能级E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收。这就是光电检测器的工作原理。 2）处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外力的作用，也会自发地跃迁至低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。这就是发光二极管的工作原理。自发辐射是非相干光。 3）在高能级E2上的电子，受到能量为hf的外来光子激发时，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激发光同频率、同相位、同方向的光子，这种跃迁称为受激辐射。这就是激光器的工作原理。受激辐射是相干光。 能级和电子跃迁如图3-2所示。; 图3-2 能级和电子跃迁 ;4．粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。 ;5．直接带隙和间接带隙半导体 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙如图3-3所示。直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高，如图3-3a所示；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其它粒子的参与以保持动量守恒，如图3-3b所示，只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。; 图3-3 直接带隙和间接带隙;3.1.2 激光器的原理;1）光学谐振腔的结构 ;2）谐振腔产生激光振荡过程 ;3）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 ;4）起振的阈值条件 ;3.1.3 激光器的特性;2．阈值特性（P-I特性） 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。典型半导体激光器的输出特性曲线如图3-6所示。为了稳定可靠的工作，阈值电流越小越好。;图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线;3．光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。 图3-7 激光器的光谱特性 ;对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。 （3-6） 谱宽也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到： （3-7） ;图3-8 激光器输出谱线注入电流的变化;4．光电效率;5．温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。从激光器阈值电流随温度变化的曲线如图3-9所示，阈值电流随温度的升高而加大。 图3-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线;3.1.4 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）;图3-10 DFB-LD结构示意图;3.1.5 发光二极管;2．LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED。面发光二极管的结构如图3-11所示，边发光二极管的结构如图3-12所示。;图3-11 面发光二极管的结构;图3-12 边发光二极管的结构;3.LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度?λ比激光器宽得多。InGaAsP LED的发光光谱如图3-13所示。 图3-13 InGaAsP LED的发光光谱;（2）输出光功率特性 发光二极管的P-I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系，如图3-14所示。 图3-14 发光二极管的P-I特性;（3）温度特性 由于LED是无阈值器件，因此