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* 半导体发光器件，如LED的内量子效率可做得很高，一般为50％，最高接近100％。但实际光器件的输出光子数远低于有源层中产生的光子数。原因如下： 一方面是由于发光区产生的光子，部分被材料吸收； 另一方面是由于半导体材料的高折射率(n＝3～4)，光子在界面处受到高反射，使能逸出界面的光子数大为减少。 通常用复合寿命τrr 和τnr 来表示复合率，定义为 （3.1.14） * 第3章 光源与光发送机 * 第3章 光源与光发送机 光发送机是将电输入信号转换为相应的光信号的光电转发中心，是各种光波系统的基本组成单元和决定光波系统性能的基本因素。 光发送机的核心部件是光源，光纤通信系统均采用半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为光源，这类光源具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并可在高速条件下直接调制等优点。 本章将专门讨论半导体光源的原理、结构、特性及由它构成的光发送机。 * 在光纤通信系统中，光发送机的作用是将电信号转变成光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。 光发送机的核心是光源及其驱动电路。 光纤通信系统对光源的要求，主要有： (1) 发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致； (2) 调制容易、线性好、带宽大； (3) 输出谱窄，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) 寿命长、体积小、耗电省等。 * 能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的是两种半导体光源：发光二级管(LED)和激光二极管(LD)。 这两种光源的主要区别在于： LED： 输出的是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低； LD： 是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高。 因此， LED适宜于短距离低速系统， LD适宜于长距离高速系统。 * 3.1 半导体光源的物理基础 量子物理实验证明，原子是由原子核和绕核旋转的电子组成，核外电子都在特定的能级中运动，并能通过与外界交换能量而发生能级跃迁，若交换的能量是光能，则称为光跃迁。 光源的工作原理基于： 光子的吸收 自发发射 受激发射 * 能级 E1: 低(下)能级； 能级E2 : 高(上)能级。 按普朗克定律，原子在两个能级之间的跃迁是能量为 hf＝E2－E1 的光子被吸收和发射的过程。 图3.1 原子的三种基本跃迁过程 * 1)光的自发发射 原子在高能级上是不稳定的，当它跃迁回低能级时，放出能量为 hf 的光子，这是一种自发发射过程（如图b）。 （3-1动画示意图） 3.1.1 发射与吸收速率 由3.1图所示两能级原子系统，设N1为基态E1原子密度，N2为激发态E2原子密度， 为辐射能量的谱密度。 （3.1.1-1） 式中A为常数 自发发射速率为 * 受激发射的速率为 2)光的受激发射 若原子原来处于高能级上，这时又有能量为 hf 的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子。这发射的光子和入射光子具有相同的状态(能量、相位、偏振态等)，这样产生的发射称为受激发射（如图c）。 （3-2动画示意图） （3.1.1-2） 式中B为常数 * 在正常情况下，原子处于低能级上，能量为 hf 的入射光子被吸收后，原子从低能级跃迁到高能级上（如图a）。 3)光的受激吸收 受激吸收的速率为 （3-3动画示意图） （3.1.1-3） 式中 为常数 * 为了产生受激发射为主的光发射，必须创造两个基本条件： (1) N2 》N1，即高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数 （热平衡状态下是 N1 》N2），这种条件称为粒子数反转。 (2)足够高的辐射谱密度 ?ph 。 （3.1.2） 在热平衡时，原子分布遵守玻耳兹曼统计分布： * 3.1.2 pn结的形成及其能带结构 1.PN结的形成 半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。 P 型半导体和 N 半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。 * Ｐ型半导体、Ｎ型半导体能带示意图 * (1) 本征半导体 对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充(黑圆点)。而导带中所有位置都空着，