吉林大学网络教育学院——光纤通信原理

　　作为一个完整的光纤通信系统，无疑是它的一个重要组成部分。这里面细分起来在光的发送端应包括：光源（即器件是怎样会发光的）、光源的调制（即怎样将需要传输的信号载在光波上）、光发射机的构成，在光的接收这一端，应包括完成光电转换作用的光电检测器、光接收机等。这些就是本章将讨论的内容。

　　经过近百年的研究（而且，至今仍在研究），人们认为光的一个基本性质是它既有波动性、又有粒子性，具体地说，就是：一方面认为光是电磁波，有确定的波长和频率而具有波动性，这点，在前面的章节中已涉及到。另一方面，又认为光是由一粒、一粒光子构成的光子流，具有粒子性。

　　由物理学知识知道，物质是由原子构成的，原子又是由原子核及其外围电子来构成，而电子围绕原子核运动只能有某些一定的不连续的轨道。由于沿每个轨道运行时就有一定相应的能量，这些分立的能量值就称为能级。

　　当E Ef，则f(E)1/2．说明这种能级E被电子占据的几率大于50%。通俗地说，低于费米能级的能级被电子占据的几率大。

　　当E Ef,则f(E)1/2．说明这种能级E被电子占据的几率小于50%。或者说，高于费米能级的这种能级被电子占据的几率小。

　　在绝对零度对，费米能级研可以理解为能级基本被占满（即f(E)=1）和基本空着(即f(E)=o)的分界线。

　　在大于绝对零度时，在费米能级之上，电子占据的几率少，且小于50%；在费米能级之下，电子占据的几率大，且大于50%。

　　由此看来，费米能级是一个表明电子占据能级状况的一个标志，例如，费米能级高，就表示在较高的能级上有电子分布。

　　物质原子中的电子在没有外界影响（激发）下，高能级E2上的电子，由于不稳定，自发地向低能级E1跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这就称为自发辐射，如图3-1所示。

　　所发光的频率、相位、偏振（又称极化）方向都不相同，是非相干光。之所以有这种特点，原因是产生辐射是自发的，因而造成频率、相位、偏振方向都是随机的。

　　处在低能级E1上的电子，当受到外来光的照射，如前所述，光是具有能量的（E=hf），低能级上的电子吸收了光子的能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上．这种因受激而吸收光的过程称为受激吸收，如图3-2所示。

　　对于希望要产生激光这个目的来说，受激吸收就是一种相反的过程，受激吸收这个过程如果是发生在半导体的P-N结上，那么，受到光的照射，跃迁到高能级（导带）上的电子，在外加反向电压（N接正，P接负）作用下，就会形成光生电流．这个就是讨论光电检测器时所说的半导体光电效应（后面将讨论）。

　　②从式(3-6)，(3-7)可知，受激辐射所发的光，它的频率与激发光的频率相同．不仅如此，两者之间的相位、偏振方向、传播方向也相同，称为全同光子，因此，受激辐射所发的光是相干光。

　　当某物质与外界处在能量平衡状态下，也就是处在热平衡状态时，根据物理学知识，低能级的粒子（电子）数N1，总是大于高能级的粒子（电子）数N2，这就是所谓的粒子数正常分布。

　　显然，在这种分布状态下，即使有光照射，但是由于N1 N2，必然是受激吸收的光，要大于受激辐射的光。因此，这时不会出现发光现象，相应地，不会实现后面将讨论的光放大作用。

　　如果，当外界向这个物质提供了能量，就会使得低能级上的电子，由于获得了能量而大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上一样。从而达到高能级上的粒子（电子）数N2大于低能级上的粒子（电子）数N1的分布状态，这种分布状态称为粒子数反转分布状态。

　　通过前面对受激辐射发光的分析可以看出，当物质在外部能源作用下迭到粒子数反转分布状态时，高能级上的大量电子就会在受到外来人射光子的激发下，同步发射与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光来激发出一个强的出射光的光放大作用。

　　过去人们熟悉的普通光源，如白炽灯、日光灯是通过发光介质自发辐射实现的发光。由于自发辐射是各自独立的、随机的，各个光子之间没有固定的关系，因此，所发的光传播方向是四面八方的，而且强度低，相干性差。

　　激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源．它是利用受激辐射原理，并采取一定措施在某个方向上获得很强的指向性、极高的光强、极好的相干性的一种光源，那么怎么来实现这种光源呢？根据前面的讨论显然需要这样三个方面的先决条件：

　　满足这两个条件后就可以使受激辐射的作用超过受激吸收的作用，有可能实现光放大，但仅此是否能形成激光呢？并不见得，理由是，虽然实现了粒子数反转分布，高能级上的电子可以通过受激辐射发出光子；但也可以通过自发辐射发出光子。所以，如果自发辐射占了主导地位，这样，这个光源就不是激光器，而是一个普通光源，那么，应该怎样才能产生激光呢？这就还要考虑下面这样一个问题：

　　第三，加一个光学谐振腔．所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加一块平面反射铳，使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射。两块反射镜中的一块，其反射率理想情况应为100%，另一块需要开一个孔以便输出激光，故反射率应在90%左右．激光器的构成原理图，如图3-4所示。

　　由于有了光学谐振腔，其中沿着光学谐振腔轴线传播的光，就可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光。这种由于光学谐振腔而产生的往复传播作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而使其中的光能密度不断增加．理论分析可以看出，这样可以使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的前提下，受激辐射占了绝对优势。

　　上面，讨论了构成一个激光器应具有的先决条件：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔．然而，认真分析会发现，要产生激光还应要满足如下两个方面的条件：

　　在激光器的工作过程中，除了具有上面所说的放大作用，也就是光波有增益之外，问题还有另外一面，即光波还会受到其他损耗，如：

　　由于激光工作物质不均匀造成光波散射；谐振腔反射镜不是理想的全反射，而有透射和吸收；或由于光波偏离腔体轴线而射到腔外等等原因，都会造成光波的损耗。

　　将增益和损耗结合起来考虑，显然，只有当光波在谐振腔内往返一次放大得到的光能密度大于或等于损失掉的光能密度，激光器才能建立起稳定的激光输出。将上述两者相等的这种关系称为阈值条件。

　　Go——小信号时，激光工作物质中，每经单位距离的传播光功率的增益系数（光功率的相对增加率）。

　　就是前面讲的阈值条件的数学表达式．它表明了激光器能够起振（刚开始产生激光）时，激光小信号增益系数Go必须满足的一个下限值，如低于它，激光器就不起振。

　　前面说过，激光器光学谐振腔中的光波是在谐振腔的两块反射镜之间往复反射而传播的．这样，就存在一个问题，即是否什么频率的光波都可以存在于光学谐振腔之中呢？不是，按照物理学中谐振的理论，只有那些经过往返一周回到原来位置时，光波的相位与初始发生 波的相位同相，即

　　的光波才能因彼此加强（即谐振）而在谐振腔中存在，不满足这种谐振关系的光波则因得不到彼此加强，最后因腔内的损耗而消失。

　　①从谐振腔波长或频率的公式(3-14)，(3-15)看出，随着q的一系列的分立取值，对应于λ0q和foq也有一系列不连续的值．因此，谐振腔中不是只存在一个频率．但是也只有那些有增益，并且小信号增益大于平均损耗系数的光波才能存在。

　　②光学谐振腔中，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔纵方向（轴向）一系列不同的电磁场分布状态。一种分布就是一个激光器的纵模。

　　③激光器的谐振腔中，在垂直于轴线的横方向也可以有一系列不同的电磁场分布，它被称为激光器的横模，是因为光波偏离轴向传播而引起的。

　　自1960年激光器问世以来，已研制出了多种类型的激光器，如固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。由于半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、较高的稳定性、调制方便、调制速度高、频带宽等优点，在光纤通信中得到使用。下面，根据上述讨论的激光器的一般I作原理，研究半导体激光器是怎样产生激光的，以及它的工作特性．首先从半导体材料的能带说起。

　　所谓本征半导体就是指没有任何外来杂质和品格缺陷的理想半导体。由于半导体是固体，原子之间结合紧密，各原子最外层电子的轨道互相重叠，从而，使半导体的能级不是分立的而是一个能带，如图3-5所示。

　　要特别指出的是，在本节的各能带图中所谓的能级高、低，都是以电子的电位能为根据的，而不是以习惯常用的正电荷电位能为根据。

　　导带——最高的未被电子填满的能带。因此，在电场作用下，由于电子的运动能产生电流。对于半导体材料来说，在绝对零度时导带基本是空的，只有在一定温度下，由于热激发、光的照射或因掺杂，而在导带中出现了电子，产生电子导电，在价带中的电子被激发到导带后，在价带处留下一个空穴，这时在电场的作用下邻近原子的电子被移过来填补了这个空穴位置，将原来的位置空出来，这就像正电荷移动一样，产生空穴导电。

　　费米能级Ef——根据前面关于费米能级是在绝对零度时电子所具有的最大能量的论述，显然，在本征半导体能带分布图中，Ef应是图3-5中所示的位置。

　　本节的中心是论述P-N结是怎样产生激光的．根据前面的讨论可知，某物质产生激光的首要条件是要使该物质处在粒子数反转分布状态，因此，要使芈导体材料产生激光，必然要使P-N结处在粒子数反转分布状态，为此，下面分步进行分析。

　　掺杂就是向本征半导体材料掺人杂质元素，从而，给半导体材料提供导电的电子或空穴．通常把提供电子的杂质元素称为施主杂质，含有这种杂质的半导体是属于电子导电型的，称为N型半导体。

　　如果N型半导体材料是重掺杂的，它提供的电子数多，高能级的电子就相应的多，它的能带图中费米能级

　　上面，分别讨论了N型和P型半导体材料在重掺杂后各自的能带分布，下面，介绍当这种N型和P型重掺杂半导体材料形成P-N结后能带分布发生的变化。

　　P型材料中空穴浓度高，电子很少；N型材料中电子浓度高，空穴很少，对单独的N或P材料，仍是电的中性。当N,P这两块半导体材料形成P-N结。