第3章通信用光器3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性3.1.3分布反馈激光器3.1.4发光二极管3.1.5半导体光源一般性能和应用3.2光检测器3.2.1光电二极管工作原理3.2.2PIN光电二极管3.2.3雪崩光电二极管(APD)3.2.4光电二极管一般性能和应用3.3光无源器件3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3.3.3光隔离器与光环行器3.3.4光调制器3.3.5光开关第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构一、半导体激光器的工作原理受激辐射和粒子数反转分布PN结的能带和电子分布激光振荡和光学谐振腔二、半导体激光器基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性一、发射波长和光谱特性二、激光束的空间分布三、转换效率和输出光功率特性四、频率特性五、温度特性3.1.3分布反馈激光器一、工作原理二、DFB激光器的优点3.1.4发光二极管一、工作原理二、工作特性3.1.5半导体光源一般性能和应用3.1光源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。按工作物质分：气体激光器（He-Ne,Ar离子,CO2）固体激光器染料激光器半导体激光器受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应p98。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。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(见图3.1)(3.1a)受激吸收如果有能量为的入射光子能量被吸收后，就有一个电子从低能级E1跃迁到高能级E2，就称为受激吸收过程。受激吸收速率为：(3.1b)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。自发辐射速率为：E2能级上的电子数密度为N2rsp为从E2跃迁到E1的自发发射几率hf12在高能级E2的电子，受到能量为hv的入射光子的作用，在他的诱导下跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放出一个和入射光子频率、相位、偏振态一样的光子，这种跃迁称为受激辐射。受激辐射速率为：受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。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。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。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型半导体图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图3.2(c)。在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成自建电场，见图3.3(a)。自建电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。P势垒增益区的产生：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