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器件分类 3.1 光源 * * 第2 章 接入网器件(1) 返回主目录 3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件 接入网器件与一般光通器件相同,可分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。  光源的功能是把电信号转换为光信号。 目前的光源主要有半导体激光二极管或称半导体激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 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振荡的。 1.受激辐射和粒子数反转分布 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有 三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射(如下图） hf12 初态 E 2 E 1 终态 E 2 E 1  (a) 受激吸收； 能级和电子跃迁 (b) 自发辐射； hf12 初态 E 2 E 1 终态 E 2 E 1 hf12 初态 E 2 E 1 终态 E 2 E 1 (c) 受激辐射 (1)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。 (2)自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级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。  (3)受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。  受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。  图 3.2 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 2. PN结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 P 区 PN 结空 间电 荷区 N 区 内部电场 扩散 漂移 P - N结内载流子运动； 图 3.3PN结的能带和电子分布 势垒 能量 E p c P 区 E n c E f E p v N 区 E n v 零偏压时P - N结的能带倾斜图； 增益区的产生： 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。 h f h f E f E p c E p f E p v E n c n E n v 电子， 空穴 内部电场 外加电场 正向偏压下P - N结能带图 获得粒子数反转分布 3. 激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生： 粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和