电子也能发光

十三、电子也能发光

在烽火台通信中，光源就是烽火本身；在旗语、旗号中，光源是自然光。但这些原始的光源自然无法适用于现代的光纤通信。现代光通信用的多是专门的半导体光源。

那么，半导体光源是怎么发出光的？这里就需要介绍简单的光电知识了。

在单个原子中，带负电荷的电子围绕带正电的原子核运动。运动的轨道分很多层，各层轨道到原子核的距离各不相同。

当电子从较高层的轨道跑到较低层的轨道（物理上叫做跃迁），就会释放出能量。这些能量会以光的粒子——光子的形式发射出来，如图6-13所示。

图6-13　高低能态跃迁的自发辐射

然而半导体材料中的电子，并不是这样孤零零地围绕着单个原子核在转悠，而是成群结队的群体。同单个原子的轨道类似，它们所处的位置被划分为一层一层的，叫做能带。

当半导体中的电子从能量较高的高能态跑到能量较低的低能态，同样会释放能量，以光子的形式发射出来。

利用上述这种光电效应，我们可以用半导体来制作光源。只要设法对它施加一定的“刺激”，使半导体里面的电子由高能态朝低能态跃迁，就能发出光来。

在半导体中，当高能态上的电子比较多时，它们会自发地跃迁到低能态上，从而发出光来，这被称为自发辐射。

利用自发辐射原理，我们制成了发光二极管（LED）。

需要解决的问题是：要发出一定强度的光，就必须使高能态上有较多的电子，而且这些电子跃迁到低能态发光之后，还必须给高能态补充电子。

在发光二极管工作过程中，我们利用电流把电子源源不断地送到半导体的高能态上，再让它们跃迁到低能态来，并发出光子，形成自发辐射。为了保证发出的光信号是在我们选定的波长范围内，故应选择合适的半导体材料。

发光二极管结构简单，成本低廉。但是它发出的光，谱线较宽。当进行高速和远距离的光纤通信时，通信效果就会因为光信号中各分量的相互干扰而有较大影响。因此，发光二极管主要用于低速和近距离的光纤通信。