光通信的器件（一）(数字通信技术)

1、Institute of Communications EngineeringInstitute of Communications EngineeringInstitute of Communications Engineering2 2、核外电子排布（核外电子排布三原则）、核外电子排布（核外电子排布三原则）最低能量原理最低能量原理PauliPauli不相容原理不相容原理Hund Hund 规则规则举例：举例：硅原子外层硅原子外层电子排列结构电子排列结构 一、物理能带图一、物理能带图原子通过一原子通过一定的排列定的排列,在在原子间形成原子间形成共价键：共价键： 一、物理能带图一、物理能带图3

2、 3、不同物质的能带图、不同物质的能带图能带概念定义能带概念定义满带：满带：排满电子的能带排满电子的能带空带：空带：未排满电子的价带未排满电子的价带禁带：禁带：不能排电子的区域不能排电子的区域在绝缘体与半导体中对于原子中外层电子排满的能带、在绝缘体与半导体中对于原子中外层电子排满的能带、再外层未排电子的能带分别定义为：再外层未排电子的能带分别定义为：价电子能级分离后形成的能带价电子能级分离后形成的能带未排电子的能带未排电子的能带价带中通过空穴导电，导带中通过电子导电。价带中通过空穴导电，导带中通过电子导电。 一、物理能带图一、物理能带图导体导体是那些最高是那些最高能带未被完能带未被完全填满的固

3、全填满的固体体 一、物理能带图一、物理能带图绝缘体绝缘体最上面的价最上面的价带是满的，带是满的，同时和下一同时和下一个空带之间个空带之间有几个电子有几个电子伏特能隙的伏特能隙的固体。固体。 一、物理能带图一、物理能带图本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体是指纯净的半导体。是指纯净的半导体。本征半导体的本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间导电性能在导体与绝缘体之间。最上面的价带是满的，价带和导带之间的能隙小于约最上面的价带是满的，价带和导带之间的能隙小于约1 eV1 eV左右（左右（1.1eV1.1eV） 一、物理能带图一、物理能带图用的最多的半导体是硅和锗用的最多的半导体是硅和锗，它们的

4、最外层电子数都，它们的最外层电子数都是四个。以于硅晶体每个原子周围有四个最邻近的原是四个。以于硅晶体每个原子周围有四个最邻近的原子，它有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体子，它有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体 一、物理能带图一、物理能带图在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。 一、物理能带图一、物理能带图满带上的一个电子跃迁到导带后满带上的一个电子跃迁到导带后, ,满带中出现一满带中出现一个空位，称为个空位，称为空穴空穴。 一、物理能带图一、

5、物理能带图导带中的电子在外磁场中的定向运动。导带中的电子在外磁场中的定向运动。满带中存在空穴的情况下，电子在满带内满带中存在空穴的情况下，电子在满带内的迁移，相当于空穴沿相反方向运动。空穴相当于带的迁移，相当于空穴沿相反方向运动。空穴相当于带正电的粒子。正电的粒子。 一、物理能带图一、物理能带图掺杂半导体掺杂半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望的的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是在半各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是在半导体禁

6、带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能量导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能量大幅降低，载流子浓度大大增加。大幅降低，载流子浓度大大增加。 一、物理能带图一、物理能带图 假定杂质原子假定杂质原子( (磷或砷磷或砷) )比半导体的原子比半导体的原子( (硅和锗硅和锗) )具有具有较多的电子较多的电子( (额外电子额外电子) )，在导带下方的能隙中形成某，在导带下方的能隙中形成某些分立的杂质能级，其距离约为十分之几电子伏特，些分立的杂质能级，其距离约为十分之几电子伏特，这些额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至这些额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带，于是，激发电子对半导体的

7、电导率有贡献。这导带，于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做种杂质原子，叫做施主施主；这种半导体叫做；这种半导体叫做 n n 型型( (负性负性) )半导体半导体。 一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图 本征半导体硅中掺入少量的本征半导体硅中掺入少量的 5 5 价元素磷、砷、锑等。价元素磷、砷、锑等。原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有原子最外层有 5 5 个价电子，其中个价电子，其中 4 4 个与硅构成共价个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即键，多余一个电子只受自

8、身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，而磷原子就成了不能移动带正电的可成为自由电子，而磷原子就成了不能移动带正电的离子。离子。在在N N 型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。 一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图正电中心磷离子对多余价电子的束缚比正电中心磷离子对多余价电子的束缚比共价键作用弱得多，这种电子仅需很少的能量成为共价键作用弱得多，这种电子仅需很少的能量成为导电电子，在晶格中自由运动，这一过程称为导电电子，在晶格中自由运动，这一过程称为杂质杂质电离电离。弱束缚电子成为导电电子所需的能量弱束缚电子成为导电电子所需的能量。3.3

9、. 杂质电离能举例：硅中的磷：杂质电离能举例：硅中的磷：0.0440.044；硅中的砷：；硅中的砷： 0.049 0.049 一、物理能带图一、物理能带图1.1. 假定杂质原子假定杂质原子( (硼或铝硼或铝) )比半导体原子比半导体原子( (硅和锗硅和锗) )具有具有较少的电子，在价带上方的能隙中引进空的分立杂较少的电子，在价带上方的能隙中引进空的分立杂质能级。质能级。2.2. 因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上，这个过程在价带中产生空穴，这些到杂质能级上，这个过程在价带中产生空穴，这些电子起着正电子的作用。这种杂质原子叫做电子

10、起着正电子的作用。这种杂质原子叫做受主受主，这种半导体叫做这种半导体叫做 p p 型型( (正性正性) )半导体半导体。 一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图 在本征半导体硅中掺入少量的在本征半导体硅中掺入少量的 3 3 价元素硼。原价元素硼。原来晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子来晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引邻近的束价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引邻近的束缚电子来填补，相当于空穴电流向另一方向移动。缚电子来填补，

11、相当于空穴电流向另一方向移动。硼硼原子为不能移动的带负电的离子原子为不能移动的带负电的离子。 一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图4 4、电子共有化、电子共有化晶体中大量原子有规则排列晶体中大量原子有规则排列, ,晶体中形成了如图所晶体中形成了如图所示的周期性势场示的周期性势场, ,电子在这种周期性的势场中运动电子在这种周期性的势场中运动, , 对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子的电子, ,也有一定的贯穿概率也有一定的贯穿概率。

12、价电子不再为单个原子所有价电子不再为单个原子所有, ,而为整个晶体所共有而为整个晶体所共有的现象称为的现象称为电子共有化电子共有化。 一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图一、物理能带图1 1、发光的原理、发光的原理能级：能级：在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1E1称为称为基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4) Ei(i=2,3,4) 称为称为激发态激发态。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础电子能级的变化电子能级的变化 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较

13、高能态，称为受激吸收。能态，称为受激吸收。没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低 能态，能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。各个原子自发辐射的光是非相干光各个原子自发辐射的光是非相干光二、物理光源的基础二、物理光源的基础电子能级的变化电子能级的变化 1.1.若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。子来，这种过程叫做受激辐射。各个原子受激辐射的光是相干

14、光各个原子受激辐射的光是相干光 二、物理光源的基础二、物理光源的基础 受激吸收受激吸收 自辐射自辐射 受激辐射受激辐射 二、物理光源的基础二、物理光源的基础结论结论在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数决于高低能级的原子数。发光的本质发光的本质是物质的原子或分子或离子处于较高的激是物质的原子或分子或离子处于较高的激发状态时，能从较高能级向低能级过渡，并自发地把发状态时，能从较高能级向低能级过渡，并自发地把过多的能量以光子的形式发射

15、出来的结果。过多的能量以光子的形式发射出来的结果。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础以氢原子以氢原子 为例，受为例，受 激辐射激辐射二、物理光源的基础二、物理光源的基础设在单位物质内，处于低能级设在单位物质内，处于低能级E1E1和处于高能级和处于高能级E2E2的粒子数分别为的粒子数分别为N1N1和和N2N2。当系统处于热平衡状态。当系统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布：时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布：式中，式中， 为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，T T为热为热 力学温度。力学温度。2211expNEEENkT231.381 10J/Kk二、物理光源的基础二、物理光源的基础

16、在热平衡状态下，总是有。受激吸收速率大在热平衡状态下，总是有。受激吸收速率大于受激辐射速率。即在通常情况下，原子在各能级上的于受激辐射速率。即在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多。多。 12NN二、物理光源的基础二、物理光源的基础粒子数反转分布粒子数反转分布要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为反，称为粒子数反转分布粒子数反转分布。通过给物质提供能量，可以使较多的原子

17、跃迁到通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数反转。反转。 粒子数反转分布的物质称为粒子数反转分布的物质称为激活介质激活介质。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础辐射光波长计算辐射光波长计算发射波长取决于其能量的变化发射波长取决于其能量的变化式中，式中，f f= =c c/ /，f f(Hz)(Hz)和和(m)(m)分别为发射光的分别为发射光的频率和波长，频率和波长，c=3c=3108 m/s108 m/s为光速，为光速，h=6.628h=6.62810-34JS10-34JS为普朗克常数，为普朗克常数，1

18、eV=1.61eV=1.610-19 J10-19 J，代入上式得到不同材料有不，代入上式得到不同材料有不同的发射波长同的发射波长。 1221h fEE21211.24hcEEEE二、物理光源的基础二、物理光源的基础2 2、激光器、激光器定义定义激光激光laserlaser光受激辐射放大的简称：光受激辐射放大的简称：Light Light Amplification by Stimulated Emission of Amplification by Stimulated Emission of RadiationRadiation激光激光是一个沿着一个方向传播、发散角极小的光是一个沿着一个方

19、向传播、发散角极小的光束，振幅、频率、相位都是非常整齐而有序，具束，振幅、频率、相位都是非常整齐而有序，具有有单色性好、方向性强、亮度高单色性好、方向性强、亮度高等特点。等特点。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔1. 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件；件；2. 光频率和方向选择；光频率和方向选择；3. 满足光振荡的阈值条件。满足光振荡的阈值条件。二、物理光源的基础二、物理光源的基础1.1.原因：激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态原因：激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态的寿命时间范围内会纷纷跳回到基态，形成

20、自发的寿命时间范围内会纷纷跳回到基态，形成自发辐射，这些光子射向四面八方。辐射，这些光子射向四面八方。2.2.方法：光学谐振腔可以是促进形成某一方向的受方法：光学谐振腔可以是促进形成某一方向的受激辐射。激辐射。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础把激活物质置于光学谐把激活物质置于光学谐振腔中，基本的光学谐振腔中，基本的光学谐振腔由两个反射率分别振腔由两个反射率分别为为R1R1和和R2R2的平行反射镜的平行反射镜构成构成( (如图所示如图所示) )，并，并被称为被称为法布里法布里- - 珀罗珀罗(Fabry Perot, FP)(Fabry Perot, FP)谐谐振腔振腔。一个是全反射镜，。

21、一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空对反射镜面及其间的空间称为间称为光学谐振腔光学谐振腔。二、物理光源的基础二、物理光源的基础1.1.最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射；向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射；2.2.选择之后的光引起受激辐射，雪崩式地放大，在选择之后的光引起受激辐射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光面输出，得到激光 。二、物理光源的基础二、物理光源的基础二、物

22、理光源的基础二、物理光源的基础阈值条件阈值条件1.1. 在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。益大于损耗时，才能形成激光。1.1. 增益大于损耗的条件称为增益大于损耗的条件称为阈值条件阈值条件。2.2. 在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长的光在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出满足阈值条件，使

23、该波长的光形成激光输出。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础有激励源；工作物质；谐振腔。有激励源；工作物质；谐振腔。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础1.1. 作用：是为工作物质中形成粒子数反转分布和光放作用：是为工作物质中形成粒子数反转分布和光放大提供必要的能量来源。大提供必要的能量来源。2.2. 激励的方式：有光激励、电激励、化学反应激励、激励的方式：有光激励、电激励、化学反应激励、热能激励和核能激励等。以前热能激励和核能激励等。以前2 2种最为常用。种最为常用。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础工作物质是产生激光的物质基础，它决定了工作物质是产生激光的物质基础，它决定了输出激光

24、的波长以及仪器的结构和性能。输出激光的波长以及仪器的结构和性能。激光工作物质可分为气体、液体、激光工作物质可分为气体、液体、固体和半导体四大类。固体和半导体四大类。人们总是尽量选用那些在室温下更人们总是尽量选用那些在室温下更容易实现粒子数反转的物质，而且它们应对激励源容易实现粒子数反转的物质，而且它们应对激励源有很强的吸收性。有很强的吸收性。 二、物理光源的基础二、物理光源的基础举例：举例：自自1960年年Maiman研制成第一台激光器（红宝石激研制成第一台激光器（红宝石激光）。光）。二、物理光源的基础二、物理光源的基础1 1、光源种类、光源种类调制光源：调制光源：接调制或者外部调制，使光信号

25、携带需接调制或者外部调制，使光信号携带需要传输的信息要传输的信息响应时间较长、有效输响应时间较长、有效输出功率较低。工作寿命都大于半导体激光器。出功率较低。工作寿命都大于半导体激光器。具有较窄的光谱带宽，但缺点具有较窄的光谱带宽，但缺点是价格较为昂贵。是价格较为昂贵。 三、半导体激光器三、半导体激光器放大光源放大光源将经过长距离传输而衰减比较严重的光信号进行放将经过长距离传输而衰减比较严重的光信号进行放大大选用选用LEDLED或者半导体激光器往往是或者半导体激光器往往是对性能和造价进行折中考虑的结果，前者通常用于对性能和造价进行折中考虑的结果，前者通常用于低速或者近距离光纤通信系统中，而后者通

26、常用于低速或者近距离光纤通信系统中，而后者通常用于高速或者较长距离光纤通信系统中。高速或者较长距离光纤通信系统中。 三、半导体激光器三、半导体激光器2 2、光纤通信系统对光源的要求主要有、光纤通信系统对光源的要求主要有波长稳定性要求波长稳定性要求功率稳定性要求功率稳定性要求光源的控制电路：温度控制和功率控制电路光源的控制电路：温度控制和功率控制电路光源的光谱线宽要窄，即单色性好光源的光谱线宽要窄，即单色性好调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要输的需要电光转换效率要高电光转换效率要高能够在室温下连续工作能够在室温下连续工作三、半导体激光

27、器三、半导体激光器3 3、光功率、光功率常规功率输出范围常规功率输出范围通信光源的输出功率可以从某些种类激光器的通信光源的输出功率可以从某些种类激光器的100 mW100 mW到到LEDLED的数十的数十WW。要求要求并非所有输出功率都是有效的。对于光纤通信并非所有输出功率都是有效的。对于光纤通信系统，只有注入光纤的光能量才是有效能量。系统，只有注入光纤的光能量才是有效能量。有效光功率输出的相关因素有效光功率输出的相关因素光信号输出的角度；光信号输出的角度；光信号输出的面积；光信号输出的面积；光源和光纤的结合性能；光源和光纤的结合性能；光纤的光接收性能。光纤的光接收性能。 三、半导体激光器三、

28、半导体激光器4 4、半导体激光器工作原理和基本结构、半导体激光器工作原理和基本结构费米能级费米能级费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体，反映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。级同时导带能级高于费米能级。杂质半导体的杂质半导体的费米能级的位置与杂质类

29、型及掺杂浓度有密切费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系关系。 三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器 在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，能级曼分布，而是费米分布，能级E E被电子占据的几率为被电子占据的几率为: :1( )1FnE EkTfEe三、半导体激光器三、半导体激光器半导体激光器的基本原理：半导体激光器的基本原理：半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PNPN结注入电流，结注入电流， 实现实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振粒子数反转分布，产生受激辐射，再

30、利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。半导体激光器半导体激光器是利用电子在能带间的跃迁来发是利用电子在能带间的跃迁来发光，直接通电就可对它进行激励，因而它们的光，直接通电就可对它进行激励，因而它们的能量转换效率大大超过一般的固体工作物质能量转换效率大大超过一般的固体工作物质 。三、半导体激光器三、半导体激光器非加电情况下非加电情况下三、半导体激光器三、半导体激光器PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和区和N区的费米能级达到同一水平区的费米能级达到同一水平三、半导体激光器三、半导体激光器FFgEEhE在半导

31、体中存在半导体中存在双简并能带且入射光的频率满足：在双简并能带且入射光的频率满足：当在当在PN结上加正向电压结上加正向电压V时，外电场部分抵消自时，外电场部分抵消自建场的作用，使建场的作用，使PN结的势垒下降，结的势垒下降，N区的费米能区的费米能级相对于级相对于P区升高区升高eV。此时非平衡状态下形成两。此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构个准费米能级，形成双简并能带结构 三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样，半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结基本结构是双异质结(DH)(

32、DH)平面条形结构平面条形结构。最简单的半导体激光器的结构：。最简单的半导体激光器的结构：三、半导体激光器三、半导体激光器半导体激光器的结构半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结多种多样，基本结构是双异质结(DH)(DH)平面条形结构。最简单的半导体激光器的结构：平面条形结构。最简单的半导体激光器的结构：1.1.一个薄有源层（厚度约一个薄有源层（厚度约0.1m0.1m）：结构中间有一）：结构中间有一层厚层厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的窄带隙的窄带隙P P型半导体，称为有源型半导体，称为有源层；层；2.2.P P型限制层：位于一侧型限制层：位于一侧3.3.N N型限制层：位于一

33、侧型限制层：位于一侧三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面作为反三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里射镜构成法布里 - - 珀罗珀罗(FP)(FP)谐振腔。谐振腔。三、半导体激光器三、半导体激光器工作过程工作过程正向偏压：正向偏压：P层的空穴和层的空穴和N层的电子注入有源层。层的电子注入有源层。 P层带隙宽，层带隙宽， 导带的能态比有源层高，对注入导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能注入到有源层的电子不可能扩散到扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到可能扩散到N层。层。 注入

34、到有源层的电子和空穴被限注入到有源层的电子和空穴被限制在厚制在厚0.1-0.3 m的有源层内形成粒子数反转的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。子和空穴浓度增大而提高效益。三、半导体激光器三、半导体激光器有源层的折射率比限制层高，产生有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。体就可以在室温连续工作。 三、半导体激光器三、半导体激光

35、器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器辐射光波长计算辐射光波长计算半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度禁带宽度Eg(eV) Eg(eV) 即：即：不同半导体材料有不同的禁带宽度不同半导体材料有不同的禁带宽度EgEg，因而有，因而有不同的发射波长不同的发射波长。镓铝砷。镓铝砷- -镓砷镓砷(GaAlAs(GaAlAsGaAs)GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段，铟镓砷磷波段，铟镓砷磷- -铟铟磷磷(InGaAsP(

36、InGaAsPInP)InP)材料适用于材料适用于1.3-1.55 m1.3-1.55 m波波段。段。 gh fE1.24hcEgEg三、半导体激光器三、半导体激光器激光二极管光源特性激光二极管光源特性输出光功率输出光功率P P与注入电流与注入电流I I关系，存在关系，存在阀值电流阀值电流Ith Ith 谱线宽度较窄，只有数纳米甚至更谱线宽度较窄，只有数纳米甚至更窄窄IthIth随温度升高而增大。通常需要随温度升高而增大。通常需要APCAPC和和ATCATC电路来控制输出功率。电路来控制输出功率。而激光器在相同的驱动电流下，发光功率最高，而激光器在相同的驱动电流下，发光功率最高，而且线性特性较

37、好。而且线性特性较好。 三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器5 5、发光二极管、发光二极管 原理原理（light emitting diodelight emitting diode，LEDLED），），是利用正向偏置是利用正向偏置PNPN结中电子与空穴的辐射复合结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。腔，发射的是非相干光。 三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器三、半导体激光器LEDLED辐

38、射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。LEDLED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材料的材料的红色红色LEDLED，GaAaPGaAaP材料的橙色、黄色材料的橙色、黄色LEDLED，以及，以及GaNGaN蓝色蓝色LEDLED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。现全色化。三、半导体激光器三、半导体激光器发光二极管发光二极管(LED)(LED)的工作原理与激光器的工作原理与激光器(LD)(LD)有所不