光纤通信技术与设备教学课件作者段智文光纤通信-3课件

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1、第3章通信光器件3.1光源3.2光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件思考题第3章通信光器件目标●掌握光与物质的三种作用方式●了解激光器的结构●掌握激光器的原理●了解激光器的性能●了解发光二极管的原理、结构和性能●掌握激光器与发光二极管性能上的异同●了解光电检测起的结构●掌握光电检测器的原理和应用●了解光放大器的知识●掌握掺铒光纤放大器的原理、组成和应用●了解光无源器件的种类●掌握常用光无源器件的性能3.1光源光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光

2、纤通信系统的性能和质量指标。本节主要对半导体激光二极管（LD）和半导体发光二极管（LED）和这两种光源的结构、工作原理以及相关的特性进行介绍，并给出了它们的技术指标。3.1.1与激光器相关的几个物理概念1．光子的概念爱因斯坦的光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），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。2．原子能级半导体晶体，原子核外的电子运动轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程度的重叠，晶体中的能级如图3-1所示，电子已经不

3、属于某个原子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，也就是说，原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带，它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。图3-1晶体中的能级3．光与物质的三种作用形式与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。能级和电子跃迁如图3-2所示。图3-2能级和电子跃迁4．粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正

4、常状态下，N1＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。5．直接带隙和间接带隙半导体在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙如图3-3所示。直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级

5、有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高，如图3-3a所示；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其它粒子的参与以保持动量守恒，如图3-3b所示，只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。图3-3直接带隙和间接带隙3.1.2激光器的原理半导体激光器要实现激光发射工作，必需满足以下三个条件：（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激

6、励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及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。1）光学谐振腔的结构。图3-4光学谐振腔的结构2）谐振腔产生激光振荡过程。图3-5激光器示意图3）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率。设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为（3-1）或（3-2）式中，c为光在真空中

7、的速度；λ为激光波长；n为激活物质的折射率；L为光学谐振腔的腔长；q=1，2，3，…称为纵模模数。4）起振的阈值条件。如以Gth表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是（3-3）式中，为光学谐振腔内激活物质的损耗系数；L为光学谐振腔的腔长；，为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。3.1.3激光器的特性1．发射波长由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。2．阈值特性（P-I特性）对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称

8、为阈值电流，用Ith表示。典型半导体激光器的输出特性曲线如图3-6所示。为了稳定可靠的工作，阈值电流越小越好。图3-6典型半导体激光器的输出特性曲线3．光谱特性激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图3-7激光器的光谱特性对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。（3-6）谱宽也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到：（3-7）图3-8激光器输出谱线注入电流的变