第3章光端机
3.1光源
3.2光源的调制
3.3光纤通信中的线路码型
3.4光发射机
3.5光电检测器
3.6光接收机
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第3章光端机
•作为一个完整的光纤通信系统，无疑光端机是它的一
个重要组成部分．
•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．
•此外，本章还将讨论与光端机有关的光纤通信中的
码型、光接收机噪声等问题．
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3.1光源
•光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部
件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入
光纤。
•目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器
（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管
（LightEmittingDiode，LED）。
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1、光子的概念
•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。
•人们将这些光量子称为光子。
•不同频率的光子具有不同的能量。
•光具有波、粒两重性。
3.1.1基础知识
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2.能级、费米-狄拉克统计分布和费米能级
（1）原子能级的概念
•物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子
构成的。
•当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。
•电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能
有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相
应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能
有某些允许的数值。
•这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开
的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原
子的不同能级。
3.1.1基础知识
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（2）费米-狄拉克统计分布
•电子按能量大小的分布确有一定的规律。
•电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：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
•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。
()/
()(31)
EEkT
fE
3.1.1基础知识
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①T>0K时
当E
则f(E)>1/2.说明这种能级E被占据的几率大于
50%。
当E>E
则f(E)
50%。
当E=E
则f(E)=1/2.说明这种能级E被占据的几率等于
50%。
•结论：热平衡情况下，占据低能级的电子多，占据高
能级的电子少
3.1.1基础知识
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②T=0k时
若E>E
，则,于是得到f(E)=0
若E
，则,于是得到f(E)=1
lim
EE
KT
lim
EE
KT
3.1.1基础知识
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③费米能级
•在绝对零度时，费米能级E
可以理解为能级基
本被占满（f(E)=1）和基本空着（f(E)=0）的分
界线。
•费米能级是一个表明电子占据能级状况的一个
标志。
3.1.1基础知识
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3.光的辐射跃迁和吸收跃迁
•光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。
•在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，
这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、
受激吸收以及受激辐射。
3.1.1基础知识
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（1）自发辐射
在末受到外界激发的情况下，高能级的电子自发地跃迁到低能级，
在跃迁过程中，发射出光子。
•发射光子的频率
•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
下自发产生的，是自发跃迁。
②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。
③光子的发射方向和相位也是各不相同的，
是非相干光。
EE
12
3.1.1基础知识
图3-1原子的自发辐射
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12
（2）受激吸收
•物质在外来光子的激发下，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，这个过程叫做受激吸收。
•受激吸收的特点如下。
①这个过程必须在外来光子的激发
下才会产生，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。
③受激跃迁的过程不是放出能量，
而是消耗外来光能。
3.1.1基础知识
图3-2原子的受激吸收
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（3）受激辐射
•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时，放出一个能量为hf的光子。由于这个
过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐
射。
•受激辐射的特点如下。
①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。
②受激过程中发射出来的光子与外来光子
不仅频率相同，而且相位、偏振方向和
传播方向都相同，因此称它们是全同光子。
③这个过程可以使光得到放大。
3.1.1基础知识
图3-3原子的受激辐射
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4.粒子数反转分布
•在热平衡条件下，粒子数正常分布，即N1>N2，此时，
即使有光照射，受激吸收>受激辐射，物质不可能有光
放大作用
•要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用
大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。
•这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。
•要实现粒子数反转分布，必须有泵浦源。
•粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。
3.1.1基础知识
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5.光放大
•当物质在外部能源（泵浦原）作用下达到粒子
数反转分布，高能级上的大量电子就会受到外
来入射光子的激发下，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。
3.1.1基础知识
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3.1.2．激光器的工作原理
1.激光器的构成及激光的产生
（1）激光振荡器必须包括以下三个部分：
–能够产生激光的工作物质，（物质须有三个以上能
级）
–能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源
（泵浦源），
– 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
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（2）光学谐振腔的结构。
• 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成
了最简单的光学谐振腔。
• 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。
• 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数R=1；另一个为
部分反射，如M2的反射系数 R
3.1.2．激光器的工作原理
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（3）光学谐振腔的作用
3.1.2．激光器的工作原理
图3-5 激光器示意图
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．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．
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• 综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须
具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和
光学谐振腔。
• 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分
布，成为激活物质，从而有光的放大作用。
• 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要
条件。
3.1.2．激光器的工作原理
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3.1.2．激光器的工作原理
2.激光器的阈值条件和相位平衡条件
（1）阈值条件
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．
阈值条件为
其中G
称为阈值增益系数。
• 激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，
阈值条件越低，激光器就越容易起振。
0 i
1 2
1 1
ln (3 2)
L R R
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3.1.2．激光器的工作原理
（2）相位平衡条件
按照物理学谐振腔的理论，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的波的相位同相。
即
的光波才能因此加强（即谐振）而在谐振腔中存在。
2 整数倍
= 2 2 (3 3)
L q
=1, 2, 3
式中， ，
光在激光工作物质中传播时的波长
L-光学谐振腔的几何长度
——相位平衡条件
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• 谐振波长
(3 4)
• 谐振频率
(3 5)
q q
q q
c c cq
f f
n nL
光速
真空中光波的波长
激光工作物质的折射率
3.1.2．激光器的工作原理
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• 通过上面分析可以得出
①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，在垂直于轴线的横向也有一系列
不同的电磁场分布，它被称为激光器的横模。
3.1.2．激光器的工作原理
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3.1.3 半导体激光器
• 自1960年激光器问世以来，已经研制出了多种
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
光器的工作原理，研究半导体激光器是怎样产
生激光的，以及它的工作特性。
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1.半导体激光器的发光机理
（1）本征半导体的能带分布
本征半导体：就是指没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想导体。
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。
3.1.3 半导体激光器
图3-5 本征半导体的能带分布
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• 满带——能带中能量最低的能带，它是被电子占满的。
满带中的电子不起导电作用。
• 价带——相应于价电子（原子最外层电子）所填充的
能带。它可能被占满，也可能被占据了一部分。
• 导带——最高的末被电子填满的能带。导带中的电子
起导电作用。
• 禁带——导带的底与价带的顶这段能带宽度称为禁带，
用E
表示，禁带是电子不能占据的能带。
3.1.3 半导体激光器
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（2）N型半导体和P型半导体重掺杂的能带图
①N型半导体材料重掺杂时的能带分布
• 掺杂就是向本征半导体材料掺入杂质元素，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。
3.1.3 半导体激光器
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3.1.3 半导体激光器
②P型半导体材料重掺杂时的能带分布
• 如果向本征半导体材料掺入的是提供空穴的杂
质元素，那么，这种半导体材料就是属于空穴
导电型的，称为p型半导体。
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3.1.3 半导体激光器
(3)重掺杂情况下P-N结的能带分布
①扩散 空间电荷区的形成
• 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，当N,P这两块半导体材料形成P-N结后，N型材料中的
电子向P型材料扩散；P型材料中的空穴向N型材料扩散，当P区
空穴扩散到N区后，在P区留下带负电的离子；当N区的电子扩
散到P区后，在N区留下带正电的离子．上述结果在P-N结附近P
区一侧出现了一个负电荷区域；在P-N结附近N区一侧出现了一
个正电荷区域，通常把上述区域称为空间电荷区．
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30
3.1.3 半导体激光器
②内建电场
• 由于空间电荷区的存在，出现了一个N指向P（即由正指向负）的一个电场，
称为内建电场．这个电场的作用是使P区的电子移向N区；将N区的空穴移向
P区，这种与扩散相反的作用称为漂移作用．同时．由于内建电场的存在使P
型材料的电子电位高于N型材料的电子电位（注意，不是正电荷电位，两者
是相反的．），这个电场还起着阻止N区的电子和P区的空穴继续越过边界
向对方扩散的作用．
• 最后，上述扩散和漂移作用达到动态平衡，使通过边界的净电流等于零，
③P-N结形成后的能带分布
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3.1.3 半导体激光器
(4) P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。
P-N结外加正偏压（即P接正，N接负）
①能带分布
图3-9 外加正偏压后P-N结的能带分布
②P-N结区出现粒子对数反转分布的解释
• N区——在( E
——E
)之间各能级电子占
据的概率大于1/2，即表示电子多，而且，
此时还是高能级．
• P区——在( E
——E
)之间各能级电子占
据的概率小于1/2，即电子少，而且处在低
能级．
• 将上述出现的两方面情况结合起来，对照图
3.9可以看出：在P-N结区同一块材料上就
出现了高能级粒子多，低能级粒子少的分布
状况．
• 显然，这就是前面所说的粒子数反转分布状
态，
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3.1.3 半导体激光器
③激光的产生
• 当P-N结上外加的正偏压足够大，使注入结区的电子
足够多时，由于出现了粒子数反转分布状态，使得P-N
结区将出现受激辐射大于受激吸收的情况．这时，在
与高能级相应的光子的激发下，就将使得高能级上的
大量电子跃迁回低能级，同时放出大量的全同光子的
光波，这个光波在由P-N结构成的光学谐振腔中来回反
射，光强不断增加，经谐振腔选频作用，从而形成激
光．谐振腔的两个反射镜，是由半导体材料的天然解
理面抛光而成的，