第05章 光源与发送机2009

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1、第5章光源半导体激光器LD(LaserDiode)半导体发光二极管LED(LightEmittingDiode)本章教学内容（1）激光原理－激光产生的机理和条件；（2）半导体物理－能带、pn结、载流子浓度；（3）发光二极管－LED的结构、量子效率和功率；（4）半导体激光器模式和阈值条件、激光器的速率方程；（5）激光器的调制、光源的温度特性和线性特性基本要求理解半导体激光产生的机理和条件和LED发光的机理和条件；了解它们的模式、阈值条件、温度特性和线性特性，了解光源的调制方法和要求。问题引出光纤通信对光源有什么要求？半导体激光LD与发光二极管LED有什么区别？光源是如何载波信息在光纤

2、中传输的？4.0激光物理学专题1、光的量子性－光的电磁场理论，将光看作连续的电磁波。成功地说明了宏观光学现象。但却无法解释物质的吸收与发射光谱的起源、光电效应等基本规律。一、光量子学说1905年爱因斯坦提出：E=hνh:普朗克常数6.625×10-34焦耳·秒ν:频率普朗克把能量的基本单位hν叫做量子。二、玻尔的光发射与吸收的量子模型（1）在微观领域内，在半径只有几埃的情况下，电子绕核旋转时并不以电磁波的形式向外发射能量。（2）电子的轨道角动量不是连续可变的，而是量子化的。即：L=mωr2=nh/2π（n：正整数，称为量子数）（3）应用爱因斯坦的光子假设，指出当原子从高能级Em跃迁

3、到低能级En时，可以用发射光子的方式与外界交换能量，所发射的光子的能量hν等于这两个能级的能量之差。hν＝Em－En高高低hν低hν2．原子能级n=1,2,..,Ep－静电势能Ek－电子动能原子中的电子只能在一定的量子态中运动原子的能量不能连续改变，只能取某些允许的分立的数值。这些量子化的运动状态在量子力学里称为量子态。用一组量子数（n,l,m,s）来表征量子态。取值见表名称符号物理特性可能值主量子数n电子离核的平均距离1,2,3,…轨道量子数l角动量0,1,…,n-1磁量子数m角动量在z方向的分量-l≤m≤l自旋量子数s电子的自旋+1/2,-1/2高低能量最低的量子态称为基态，能

4、量高于基态的称为激发态。基态n=1，激发态n>1最里层的轨道：能量最低当n＝1的电子不能超过2个n＝2的电子不能超过8个n＝N的电子不能超过2N2个最里层的轨道：能量最低第二层的轨道：能量较高泡利不相容原理－－在一个原子里不可能存在两个电子具有相同的量子态。3．能级的跃迁原子中的电子可以从一个量子态跃迁到另一个量子态。但跃迁的几率有大有小。在有些量子态之间，原子跃迁的几率很大，称为允许跃迁。有些量子态之间，原子跃迁的几率非常小，称为禁止跃迁。高低原子从低能级跃迁到高能级的过程叫做激发（1）光的自发辐射在未受到外界激发的情况下，高能级的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级上，在跃迁过

5、程中，根据能量守恒原理，发射出一个能量为hν的光子。即：hν＝E2－E1特点：①过程是在没有外界作用的条件下自发产生的。②发射出光子的频率决定于所跃迁的能级。③非相干光（2）受激辐射处在高能级E2上的电子，由于受到能量恰好为hν＝E2－E1的外来光子的激励而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子一模一样的光子（3）受激吸收当外来光子的能量恰好等于原子的激发能时，处在低能级的电子就能在外来光子的激励下吸收外来光子而跃迁到高能级（激发态），这一过程叫受激吸收。高高低hν低hν受激辐射StimulatedEmission受激辐射与受激吸收的特点1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2

6、－E12）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的基本概念。自发辐射、受激辐射与受激吸收之间的关系在热平衡下，对光波而言，总是自发辐射占优势。在一个温度T的热平衡空腔中充有大量的某种原子，空腔内壁的热辐射来回反射，形成一个稳定的辐射场。内部辐射场已形成一种不随时间变化的稳定分布，这就要求原子系统所发射的光子数等于它所吸收的光子数。E1和E2上的原子数N1和N2满足波尔兹

7、曼分布g1,g2:E1和E2的统计权重（1）（1）受激辐射和自发辐射的强度之比Ρν（空腔内）单色辐射能密度在热平衡的情况下，总是自发辐射占绝对优势（2）光的吸收和增益热平衡时，能级上的粒子数分布满足波尔兹曼分布：由（1）得受激辐射少于受激吸收，光通过介质时会减弱。欲使光通过介质时得到增益，必须打破热平衡，使粒子数分布反转。即粒子数反转：产生激光的必要条件。激光器的一般工作原理构成激光器应包括三部分：（1）能够产生激光的工作物质；（2）能够使工作物质处于粒子数反转状态的