[数学]第3章 光源与光检测器.ppt

第3章 光源与光检测器 3.1 半导体LD的工作原理 3.2 输出光功率及光源与光纤的耦合 3.3 LD的输出光谱 3.4 LD的调制响应 3.5 LD的温度特性与自动温度控制（ATC） 3.6 LD的输出光功率稳定性与自动功率控制（APC） 3.7 DFB和DBR激光器 3.8 调谐激光器 3.9 其他类型的激光器 3.10 激光器组件 3.11 半导体LED 3.12 光检测器 3.13 PIN 3.14 APD 习题三 3.1 半导体LD的工作原理 3.1.1 光放大 1. 受激辐射的概念 大家已经知道， 任何一个物理系统如原子内部的电子是处于不同的能量轨道上的， 电子在每一个这样的轨道上运动时具有确定的能量， 称为原子的一个能级。 能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量关系的。 当原子中的电子与外界有能量交换时， 电子就在不同的能级之间跃迁， 并伴随有能量如光能、 热能等的吸收与释放。 考虑一个具有二能级的原子系统， 能级为E1和E2， 且E2E1， 如果照在其上的光波频率为fc， 且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1, h为普郎克常数， h＝6.63×10-9(J·s)， 则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁， E1→E2 和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。 原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2， 原子从E2跃迁到 E1放出一个光子， 其能量与入射光子的能量hfc一样， 前者称为受激吸收， 后者称为受激辐射， 它与自发辐射是不同的， 它们合称为光与物质之间的三种相互作用, 即自发辐射、 受激吸收、 受激辐射。 如果受激辐射超过受激吸收而占主导地位， 则入射的光信号会引起 E2→E1之间的跃迁多于E1→E2 之间的跃迁， 导致了能量为hfc的光子数的净增加， 入射的光信号得到了放大， 如图 3.1所示； 否则， 光信号将被衰减。 根据物理学原理可知， 每个原子的E1→E2的跃迁速率和E2→E1的跃迁速率是一样的， 可以用r表示。 如果假设能级E1和E2上的粒子数（电子的数目）分别为N1和N2， 则功率净增益（单位时间的能量）为（N2-N1）rhfc。 显然， 如果要实现信号放大， 该值必为正, 即（N2-N1）0,　N2N1。 这一条件称为粒子数反转分布。 之所以称为粒子数反转分布，　是因为在正常热平衡状态下， 低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的,　入射的光信号总是被吸收。 2. 半导体光放大（器） 尽管半导体光放大器用来放大光信号时的性能不如EDFA放大器（在第5章介绍）， 但实际上对它的研究比EDFA还早。 人们发现它除了用于光放大之外还可用于光开关、 波长变换器（这是光纤通信的两个关键器件）， 所以学习它也是理解半导体激光器（使用最广的发光器件）的基础。 图3.2 给出了半导体光放大器SOA的框图。 SOA实际上是一个PN结， 由下面的分析可知， 中间的耗尽层实际上充当了有源区， 当光通过有源区时， 光由于受激辐射而得到了放大。 由于放大器的增益是波长的函数， 因而放大器有源区的两端面上镀有防反射涂层（AR）， 以减少放大器的带内增益波动。 而激光器没有防反射涂层（AR）。 半导体光放大器SOA与EDFA放大器的不同在于实现粒子数反转分布的方式是不同的。 首先, 半导体SOA的粒子不是处于不同能级上的原子， 而是半导体材料中的载流子, 即电子或空穴。 半导体有两个由电子能级构成的能带： 一个是由许多能级构成的能量低的价带; 另一个是由许多能级构成的能量高的导带。 电子或空穴可以处在不同的能级上。 导带与价带之间称为禁带， 能量差为Eg， 中间不存在能级。对于一个P型半导体， 在热平衡状态下只有很少的电子位于导带中， 如图3.3 (a)所示。 类似前面的讨论, 将导带看作能量高的E2能级， 将价带看作能量低的E1能级， 这里的高低是指电子在能带上的能量。 在粒子数反转分布情况下， 导带中的电子数是很多的， 如图3.3(b)所示。 这时如有光照射， 将有更多的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比）， 实际上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的条件。 半导体的粒子数反转分布可以通过对PN结加正向偏压来实现。 PN结由P型和N型半导体组成。 P型半导体是在半导体中掺入合适的原子，