半导体激光器与发光二极管

第三章 半导体激光器与发光二极管
（3）受激辐射 这是另一种发光过程，处于高能级E2的电
子当受到外来光子的激发而跃 迁到低能级E1， 同时放出一个能量为2hf的光子，由于这个过程 是在外来光子的激发下产生的，因此叫受激辐 射。
发光二极管图例
图 3.2*
圆形发光二极管工作参 数 波长：470nm 发光强度： 1000－4000mcd 正向电压；3.4v
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光电检测器图例
图 3.3* 插拔式光电二极管 图3.4* APD雪崩光电二极管
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§3-1 与激光器有关的概念
缺点：谱线宽度较宽；调制速率较低；与光纤的耦合效率较低。
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半导体激光器（LD）图例
图 3.1*
红光点状光斑激光器
工作参数
输出波长：
635nm 650nm 670nm 出光功率：
0～75mw 光斑直径：
工作电压：3V 4.5V 5V 6V
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构成光纤通信系统三大部分之一的光发射部 分的核心是产生激光或荧光的光源，它包括半导 体激光器LD（Laser Diode） 和半导体发光二极 管LED（Light Emitting Diode），它们的共同 特点是：体积小，重量轻，耗电量小。
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（2）受激吸收 物质在外来光子的的激发下，低能级上的
电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级 上，这个过程叫受激吸收。 受激吸收的特点： 1°这个过程必须在外来光子的激发下才能产生， 因此是受激跃迁。 2°外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差， 如E=E2-E1=hf 3°受激跃迁的过程中，不是放出能量，而是消 耗外来光能。
电子在原子核外按一定的轨道运动，就具有了一定 的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的 数值，这些允许的数值，因轨道不同，而一个个分开的， 即不连续的，我们把这些分立的能量值，称为原子的不 同能级。(*04)
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2、费米能级 物质中的电子不停地做无规则的运动，他们可以
被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。 故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
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三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了 三种不同的基本过程如图3.2所示（下面简述E1、E2二能级系统 为例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃 迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一 个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：
一、光子 1950年，爱因斯坦提出光量子学说。他认为光
是由能量为hf的光量子组成的，其中，h=6.626×10-34 J·S，称为普朗克常数，f是光波频率，人们称这些光量 子叫做光子。
不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的 光波它具有的能量只能是hf的整数倍，当光与物质相 互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或反射。
激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。
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引言
一、 光纤通信系统对光源的基本要求： （1）稳定性好，可在室温下连续工作； （2）尺寸和结构要小； （3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段； （4）信号调制容量大。
在不同的能级间跃迁，即对于某一电子而言，它所具 有的能量时大时小，不断变化，而电子按能量大小的 分布却有一定规律。
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在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占
据的概率为：f (E)
1
1
1 e[(EE f ) / K0T ]
1
E exp(
Ef
)
KT
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式中：f (E（) 概率） ：为电子的费米分布函数
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引言
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二、 最常用的发光器件：
（1）LD：半导体激光二极管或称激光器(LD),发出的是激光. a. 极窄的光谱带宽；b. 极大的调制容量； c 有定向输出特性；d. 辐射具有光相干特性。 适用于长距离，大容量，高码速系统
优点：输出特性曲线线性好；使用寿命长；成本低. （2）LED：发光二极管或称发光管(LED),发出的是荧光。 a. 非相干的自发辐射； b.结构及工作方式简单； 适用于短距离，低速，模拟系统
Ko：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
， K 0 1.38 10 34 J / K
E f ：费米能级，它只反映电子在各能级中分布 情况的一个参数。
根据上式，我们可以得到图3.1所示的费米分布函数 曲线：
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由图3.1可见：在T>0K时 若E=Ef：则f(E)=1/2，则说明该能级
光子概念的提出，使人们认识到，光不仅具有波 动性，而且还具有粒子性，而且两者不可分割（两重 性）。
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二、费米能级
1、 原子能级的概念 物质是由原子组成，而原子又是由原子核和核外
电子构成，当物质中原子的内部能量变化时，即可能产 生光波。因此要研究激光的产生过程，就应了解原子能 级分布。
即 hf E2 E1 ，则发射光子的频率： f E2 E1
h
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自发辐射的特点如下： 1）这个过程是在没有外界作用的条件下， 而自发产生的，是自发跃迁。 2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的 能级，而发生自发辐射的高能级不是一个， 而可以是一系列的高能级，因此辐射光子 的频率亦不同，频率范围很宽。 3）即使有些电子是在相同的能级差间进行 跃迁，也就是辐射出的光子的频率相同时， 但由于它们是独立的，自发的辐射，因此， 它的发射方向和相位也是各不相同的，是 非相干的。