第三章通信用光器件

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1、章节名称：第三章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理（2学时100分钟）一、教学目的及要求：1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；2、了解系统对光源的要求。3、理解光与物质相互作用的三个物理过程。4、掌握激光器的发光机理。二、教学重点及难点：重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光器基本结构。难点：激光器的发光机理。三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、作业：3-1，3-2，3-3。六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章。《光纤通信》GerdKeiser著，李玉

2、权等译第三章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理开场白明确本节课要学习的内容。5分钟第3章通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型：有源器件和无源器件。有源器件包括光源、光检测器和光放大器讲解板书动画演示45分钟，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、光合波器和光分波器、光滤波器和隔离器等。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号电流转换为光信号功率。目前

3、光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。对光源性能的基本要求1光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长分别为0.85（850nm）、1.31(1310nm)和1.55(1550nm)。因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。2足够的光输出功率在室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。目前激光二极管能提供500微瓦（）到10毫瓦（）的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（）到1毫瓦（）的输出光功率。3可靠性高、寿命长讲解板书课件演示

4、动画演示现在的激光二极管可靠性比较高，寿命长。激光二极管寿命小时，发光二极管寿命小时。4温度稳定性好器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好。5光谱宽度要窄光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。LD线宽<2nm，LED线宽在100nm左右。6调制特性好允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。7与光纤之间的耦合效率高光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光的耦合效率为20%～30%，较高水平的耦合效率可超过50%。8体积小，重量轻要求器

5、件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为合适得光源。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的讲解板书课件演示动画演示分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。3.1.1半导体激光器工作原理半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是LightAmplifi

6、cationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。一几个基本概念1光子1905年爱因斯坦提出光量子学说。他认为光是光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。光子具有一定的频率和能量，这就是光的波粒二象性。描述光粒子特征的物理量是能量；描述光波动特征的物理量是频率。频率为的光子具有的能量为：（焦耳·秒），为普朗克常数。2原子能级硅原子的能级图如图所示，同一层表示电子的能量相同，电子离原子核平均距离相同。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级称为基态；能量比基态大的中间能级(=2,3)称为亚

7、稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间为10ms；能量较高的能级讲解板书课件演示动画演示称为激发态，在激发态上粒子的平均寿命时间为1s。3光和物质相互作用有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射三种基本物理过程。图能级和电子跃迁（a）受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2讲解板书课件演示动画演示上，这