第12章光导纤维传感器 ·237· 光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质，它可以被物质吸收。光的吸收 和发射是与物质原子、分子内部能量状态的改变相联系的。当系统由高能级向低能级转 变时，将发射光子；相反，将吸收光子。这些转变过程都是按一定的规律进行。爱因斯 坦之处这里存在着三种不同的基本过程，即：自发辐射、受激吸收和受激辐射。特别是 受激辐射，它是激发光发生的物理基础。系统的最低能级称为基态，高能级称为受激态。 图12-8给出了原子的二能级系统这三个过程的示意图。 处于高能级的粒子是不稳定的，它将自发地向低能级跃迁。在跃迁过程中，发射出 一个能量为v的光子。这个过程并不是因为受外界的影响而完全是自发产生的，因而 称为自发辐射。发射的光子能量为两个能级的能量之差： hv=E2-E 发射光子频率为： v=(E2-EI /h 式中，h=6.62×10”尔格秒，为普朗克常数，这种自发辐射过程如图12-8(a)所示 在光子激发下，原子可吸收光子的能量从低能级跃迁到较高能级上去，这个过程叫 做受激吸收。如图12-8(b)所示，有一原子原来处于低能级E1,在一个频率=(E2-E) h的外来光子的照射下，它便吸收该光子的能量而跃迁到2能级上去。受激吸收过程 的特点是：这个过程不是自发产生的，必须在外来光子的刺激下才会产生。外来的光 子的能量要等于原子的跃迁能级差，即频率一(E-E,)h。所以，这种吸收也叫做共 振吸收
12 ·237· 光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质，它可以被物质吸收。光的吸收 和发射是与物质原子、分子内部能量状态的改变相联系的。当系统由高能级向低能级转 变时，将发射光子；相反，将吸收光子。这些转变过程都是按一定的规律进行。爱因斯 坦之处这里存在着三种不同的基本过程，即：自发辐射、受激吸收和受激辐射。特别是 受激辐射，它是激发光发生的物理基础。系统的最低能级称为基态，高能级称为受激态。 图 12-8 给出了原子的二能级系统这三个过程的示意图。 处于高能级的粒子是不稳定的，它将自发地向低能级跃迁。在跃迁过程中，发射出 一个能量为 hν 的光子。这个过程并不是因为受外界的影响而完全是自发产生的，因而 称为自发辐射。发射的光子能量为两个能级的能量之差： hν=E2-E1 发射光子频率为： ν=（E2-E1）/h 式中，h=6.62×10-27 尔格.秒，为普朗克常数，这种自发辐射过程如图 12-8（a）所示。 在光子激发下，原子可吸收光子的能量从低能级跃迁到较高能级上去，这个过程叫 做受激吸收。如图 12-8（b）所示，有一原子原来处于低能级 E1，在一个频率 ν=（E2-E1） /h 的外来光子的照射下，它便吸收该光子的能量而跃迁到 E2 能级上去。受激吸收过程 的特点是：这个过程不是自发产生的，必须在外来光子的刺激下才会产生。外来的光 子的能量要等于原子的跃迁能级差，即频率 ν=（E2-E1）/h。所以，这种吸收也叫做共 振吸收
·238 传感器技术设计与应用 如图12-8(c)所际，有一处于高能级的原子，当一个频率=(EE1)h的光子趋 近它时，原子受到该光子的刺激，也可以从高能级跃迁到低能级，同时放出一个能量为 h=E2-E1,频率为v=(E2E1)h的光子。该过程是在外来光子的激发下产生的，因而叫 做受激辐射。受激过程中发射出来的光子与激发它的光子不仅频率相同，且相位、偏振 方向、传播方向都相同，故称它们为全同光子。这种因受激而产生的光子与激发它的光 子相叠加而使光强增大，这就使入射光得到了放大。受激辐射引起光的放大是产生激光 的基本概念。 ● hf-E2-B 1 fE2-E (c) (a)受激吸收(b)和受激辐射(c)示意图 图12-8原子的自发辐射 对于半导体材料，由于固体的晶格化结构，大量电子的共有化运动使电子的能级重 叠而成为能带结构。上述的三个过程便发生在半导体材料的导带和价带之间的电子的跃 迁，E1对应于其价带顶的能量，E2对应于其导带低的能量，这两个能量只差-E,便是 半号体材料的禁带宽度E。由上述分析可见，半导体的发光过程可以通过自发辐射和受
·238· 如图 12-8（c）所示，有一处于高能级的原子，当一个频率 ν=（E2-E1）/h 的光子趋 近它时，原子受到该光子的刺激，也可以从高能级跃迁到低能级，同时放出一个能量为 hν=E2-E1，频率为 ν=（E2-E1）/h 的光子。该过程是在外来光子的激发下产生的，因而叫 做受激辐射。受激过程中发射出来的光子与激发它的光子不仅频率相同，且相位、偏振 方向、传播方向都相同，故称它们为全同光子。这种因受激而产生的光子与激发它的光 子相叠加而使光强增大，这就使入射光得到了放大。受激辐射引起光的放大是产生激光 的基本概念。 （a）受激吸收 （b）和受激辐射 （c）示意图 图 12-8 原子的自发辐射 对于半导体材料，由于固体的晶格化结构，大量电子的共有化运动使电子的能级重 叠而成为能带结构。上述的三个过程便发生在半导体材料的导带和价带之间的电子的跃 迁，E1 对应于其价带顶的能量，E2 对应于其导带低的能量，这两个能量只差 E2-E1 便是 半导体材料的禁带宽度 Eg。由上述分析可见，半导体的发光过程可以通过自发辐射和受
第12章光导纤维传感器 ·239· 激辐射这两个过程而进行。在自发辐射中，产生的光子具有随机的方向，相位和偏振态 彼此无关，出射光为非相干光，半导体发光二极管正是利用了这种发光机理。在受激辐 射中，出射光为相干光，半号体激光器正是利用此原理而制成。对半导体的受激吸收 跃迁到高能态（导带）的电子，如果在外加电场作用下，会产生光生电流，半号体光电 探测器的工作正是基于此原理。 在正常情况下，低能态上的电子比高能态上的电子多，因此，为实现光放大效应， 必须使得高能态上的电子数大于低能态上的电子数，这就是所谓的“粒子数反转”。处于 正向偏置下的PN结，由于非平衡载流子的注入，这些非平衡载流子可以通过自发辐谢 或受激辐射复合而发出光能，此即下面要讨论的半导体光源在正向偏置下的发光机理。 12.2.2.2半导体激光器(LD)的结构原理 由激光理论可知，任何激光器都要具备激活介质、激励能源和谐振腔三个基本部分 利用激励能，使激活介质内部的一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成 激光的前提。谐振腔则是形成稳定振荡的必要条件。另外，还必须使光在谐振腔内来回 一次所获得的增益等于或大于所遭受到的各种损耗，即满足阀值条件，这是激光形成的 决定性条件。 半号导体激光器结构核心是PN结，图12-9示出GaAs激光器结构，PN结由P*-.GaAs 和n-GaAs构成，激光由PN结区发出，因此P结区也叫激活区（有源区
12 ·239· 激辐射这两个过程而进行。在自发辐射中，产生的光子具有随机的方向，相位和偏振态 彼此无关，出射光为非相干光，半导体发光二极管正是利用了这种发光机理。在受激辐 射中，出射光为相干光，半导体激光器正是利用此原理而制成。对半导体的受激吸收， 跃迁到高能态（导带）的电子，如果在外加电场作用下，会产生光生电流，半导体光电 探测器的工作正是基于此原理。 在正常情况下，低能态上的电子比高能态上的电子多，因此，为实现光放大效应， 必须使得高能态上的电子数大于低能态上的电子数，这就是所谓的“粒子数反转”。处于 正向偏置下的 PN 结，由于非平衡载流子的注入，这些非平衡载流子可以通过自发辐射 或受激辐射复合而发出光能，此即下面要讨论的半导体光源在正向偏置下的发光机理。 12.2.2.2 半导体激光器（LD）的结构原理 由激光理论可知，任何激光器都要具备激活介质、激励能源和谐振腔三个基本部分。 利用激励能，使激活介质内部的一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成 激光的前提。谐振腔则是形成稳定振荡的必要条件。另外，还必须使光在谐振腔内来回 一次所获得的增益等于或大于所遭受到的各种损耗，即满足阀值条件，这是激光形成的 决定性条件。 半导体激光器结构，核心是 PN 结，图 12-9 示出 GaAs 激光器结构。PN 结由 P + -GaAs 和 n + -GaAs 构成，激光由 PN 结区发出，因此 PN 结区也叫激活区（有源区）
·240: 传感器技术设计与应用 P-GaAs N-GaAs PN结 图12.9PN结LD结构简图 此处PN结的两个端面是按照晶体的天然解里面切开的，相当于两反射镜，构成法 卜里珀罗(F-P)腔。由半导体物理的PN结理论可知，当PN结在正向偏置下，外加电 压就是电泵浦源，电子流不断注入PN结，使PN结的载流子失去平衡而处于粒子数反 转状态。当那些高能级上的电子向低能级跃迁时，电子空穴自发复合发出光子，产生自 发辐射。自发辐射光子在时间上、方向上各不相同，大部分光子会很快穿过PN结射到 体外，少数光子沿PN结平面平行穿行就可能引发受激辐射，在PN结两端间来回振荡， 反复引发受激光子使光束得到增强。当满足振荡条件时，就可得到激光。当然，光子每 次穿行中，增益要大于1，为此需克服各种损耗。所以，足够强的外加电场（以便注入 足够多的载流子)是实现粒子数反转的条件，亦即可要把电流提高到阀值以上，阀值电 流（或阀值电流密度）时激光器的一个重要指标 PN结的类型 目前半号体激光器所用的半导体材料多为皿-V族化合物半导体及合金如GAs
·240· 图 12-9 PN 结 LD 结构简图 此处 PN 结的两个端面是按照晶体的天然解里面切开的，相当于两反射镜，构成法 卜里-珀罗（F-P）腔。由半导体物理的 PN 结理论可知，当 PN 结在正向偏置下，外加电 压就是电泵浦源，电子流不断注入 PN 结，使 PN 结的载流子失去平衡而处于粒子数反 转状态。当那些高能级上的电子向低能级跃迁时，电子空穴自发复合发出光子，产生自 发辐射。自发辐射光子在时间上、方向上各不相同，大部分光子会很快穿过 PN 结射到 体外，少数光子沿 PN 结平面平行穿行就可能引发受激辐射，在 PN 结两端间来回振荡， 反复引发受激光子使光束得到增强。当满足振荡条件时，就可得到激光。当然，光子每 次穿行中，增益要大于 1，为此需克服各种损耗。所以，足够强的外加电场（以便注入 足够多的载流子）是实现粒子数反转的条件，亦即可要把电流提高到阀值以上，阀值电 流（或阀值电流密度）时激光器的一个重要指标。 PN 结的类型 目前，半导体激光器所用的半导体材料多为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及合金，如：GaAs
第12章光导纤维传感器 ·241· Al.Ga1-wAs,InP,Ini-,GaxAs,Pi-y等。根据所需的发光波长，可选择不同的材料构成PN 结。例破如，GaAs的发射波长为0.87μm,在1.3~1.6m波段上，采用的基本半号体材 料是IP。根据构成PN结所用的半导体材料的种类，PN结可分为以下类型： a)同质结由两种相同的半导体材料构成的结。例如上面图12-9所示的GaAs 激光器。 b)异质性由两种不同的半导体材料构成的PN结。它又可分为单异质结合双异质 结，它们的结构示意如图12-10。根据形成异质结的两种材料的导电类型，异质结又可 分为反型异质结和同型异质结。反型异质结是由导电类型相反的两种不同材料形成的， 同型异质结是由导电类型相同的两种不同材料形成的。由双异质结的能带结构特点可 知，该种激光器能够更好地限制载流子和光波在作用区，所以是一种普通应用的半导体 激光器结构。 c)半导体激光器的工作特性 半导体激光器的工作特性主要是它的伏安特性、阀值特性（阀值电流1：或阀值电流 密度J山入输出功率的P!曲线、光谱特性、响应时间特性等
12 ·241· AlxGa1-xAs，InP，In1-xGaxAsyP1-y 等。根据所需的发光波长，可选择不同的材料构成 PN 结。例如，GaAs 的发射波长为 0.87μ m，在 1.3～1.6μ m 波段上，采用的基本半导体材 料是 InP。根据构成 PN 结所用的半导体材料的种类，PN 结可分为以下类型： a）同质结 由两种相同的半导体材料构成的结。例如上面图 12-9 所示的 GaAs 激光器。 b）异质性 由两种不同的半导体材料构成的 PN 结。它又可分为单异质结合双异质 结，它们的结构示意如图 12-10。根据形成异质结的两种材料的导电类型，异质结又可 分为反型异质结和同型异质结。反型异质结是由导电类型相反的两种不同材料形成的， 同型异质结是由导电类型相同的两种不同材料形成的。由双异质结的能带结构特点可 知，该种激光器能够更好地限制载流子和光波在作用区，所以是一种普通应用的半导体 激光器结构。 c）半导体激光器的工作特性 半导体激光器的工作特性主要是它的伏安特性、阀值特性（阀值电流 Ith 或阀值电流 密度 Jth）、输出功率的 P-I 曲线、光谱特性、响应时间特性等