chapter3光接收机与光发射机1.ppt

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1、第三章光发送机和光接收机本章内容§3.1激光产生的物理基础§3.2半导体激光器和发光二极管§3.3光源的调制§3.4光发送机§3.5光检测器件§3.6光接收机§3.1激光产生的物理基础能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。硅原子的能级图能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4……，同一能级往往

2、有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。能级的跃迁原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子跃迁，电子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。考虑两能级的系统，高能级E2和低能级E1，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于（E2-E1）>0，T>0，所以在热平衡状态下，总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。三种能级跃迁的方式自发辐射：高

3、能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上。受激辐射：处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。光的吸收和放大光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强

4、度按指数规律衰减，光波被吸收。粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光

5、的放大过程。激光器的一般工作原理激光器的产生激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。产生激光的三个先决条件：要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。把激光工作物质置于光学谐振腔。激光器的构成所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加上一块平面反射镜，使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射，两块反射镜中的一块，其反射率理想情况应为100％，另一块是部分反射镜，反射率在90％左

6、右，输出激光。L满足粒子数反转分布的激光工作物质部分反射镜激光器的构成图反射镜激光输出光学谐振腔的作用沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传播，相当于延长了激光工作物质的长度。由光学谐振器的长度选择发射波长。只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强。产生激光的阈值与相位条件阈值条件——光的增益和损耗应满足的平衡条件：G0:光功率的小信号增益系数;i:损耗系数;L:光学谐振腔的长度;R1、R2：激光器两个反射镜的反射率。相位条件——在谐振腔中，只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加

7、强：q=1，2，3……;q:光在激光工作物质中传播时的波长;0q:光在真空中传播时的波长;n:折射率;L:谐振腔的腔长激光产生原理满足三个激光器的具备条件。发光物质产生各个方向的自发辐射光，其中水平方向的才能保留下来，其他方向的几次发射逸出腔外。水平方向的自发辐射光，在来回反射传播的过程中，不断激发高能级上的电子跃迁到低能级上，发生受激辐射，产生和入射光一模一样的光子。满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强，因此只有某些波长的光波才能保留下来。当来回反射传播一段时间以后，大概200多次来回，腔内传输的

8、光波增益大于损耗时，在一端面透射出来，形成激光。因此，出射镜面的透射率不能太小，否则出射激光功率太小，也不能太大，否则腔内难以形成足够的增益，透射出激光。LD的发光原理本征半导体的能带分布：EV（价带），Eg（禁带），EC（导带）费米－狄拉克统计分布：每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率服从费米分布函数E：某一能级的能量值；K：波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23J/K；T：绝对