《光纤通信》_第4讲_光器件(1)

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1、第四讲(1)光源Opticalsource主要内容一、半导体激光器工作原理和基本结构☆二、半导体光源之一:LD☆三、光发射机基本组成及驱动电路和自动功率控制☆四、半导体光源之二:LED五、光电检测器及光接收机☆8/3/20212引言一、光纤通信系统对光源的基本要求：（1）稳定性好，可在室温下连续工作；（2）尺寸和结构要小；（3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段；（4）信号调制容量大。8/3/20213引言二、最常用的发光器件：（1）LD：半导体激光二极管或称激光器(LD)a.极窄的光谱带宽；b.极大的调制容量

2、；c有定向输出特性；d.辐射具有光相干特性。适用于长距离，大容量，高码速系统（2）LED：发光二极管或称发光管(LED)a.非相干的自发辐射；b.结构及工作方式简单；适用于短距离，低速，模拟系统8/3/20214第一节半导体激光器工作原理和基本结构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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大

3、)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。一、受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei（i=2，3，4…）称为激发态。8/3/20215以前所学过的有关知识半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙

4、。电子不可能占据禁带。8/3/20216受激辐射和粒子数反转分布电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：1.光的受激吸收：stimulatedtransition2.光的自发辐射：spontaneousemission3.光的受激辐射:stimulatedemissionofradiationEEcEvEg光子hfEcEvEg光子hfEcEvEg光子hf光子hfEE空穴复合留下空穴8/3/20217受激辐射和粒子数反转分布（续）受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光

5、的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2＞E1)的粒子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：N2/N1=exp(-(E2-E1)/kT)8/3/20218受激辐射和粒子数反转分布（续）N2/N1=exp(-(E2-E1)/kT)式中，k=1.381×1

6、0-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)＞0，T＞0，所以在这种状态下，总是N1＞N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数（吸收和辐射的概率）相等。如果N1＞N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2＞N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2＞N1的分布，和正常状态N1＞N2的分布相反，所以称为粒子（电子）数反转分布。

7、8/3/20219二、激光振荡和光学谐振腔—光学谐振腔的结构粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1、M2，使其互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔(也称法布里-珀罗，F-P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，结构如图所示。8/3/202110谐振腔如何产生激光振荡对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反

8、射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r＜1。产生的激光由此射出。当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再参加激励，这就相当于电路中用正反馈实现振荡，这时，被激励的光就可产生振荡，满足一定条件后，即可发出激光。泵浦源：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。8/3/202111谐振腔如何产生激光振荡（续）将在泵浦源激发下，处于粒子数