第三章 光源和光发射机ppt课件.ppt

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1、第三章光源和光发射机本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。本章重点激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。本章难点发光机理。3.1半导体光器件光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）。半导体器件的共同优点：体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）其它特性：①易择波：半导体光源的物理基

2、础决定了只要选择合适的光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光源器件；②易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱宽度；③易调制：改变注入电流就可以改变输出光强，能够直接进行强度调制；④易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较高的耦合效率3.1.1激光器的物理基础1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用1．光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，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。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。2．费米能级（1

3、）原子能级的概念原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成原子中的电子只能在一定的量子态中运动轨道越高，能量也越高当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级(2)半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在图3.1中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。图3.1半导体的能带结构原

4、子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若跃迁过程中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。后者是研究光与物质相互作用的基础（3）费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。图3.2费米分布函数变化曲线3．光和物质的相互作用光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出

5、，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。（1）自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下：①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。图3.3原子的自发辐射（2）受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。②外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。③受

6、激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。图3.4原子的受激吸收（3）受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③这个过程可以使光得到放大。图3.5原子的受激辐射4．光的吸收和放大（1）吸收状态设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上的电子密

7、度为N2，当N2＜N1时，受激吸收过程占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收（2）放大状态若媒质中N2＞N1，则受激辐射占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。Eg＜hv＜e0VN2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外界的泵浦才能实现3.1.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。1．粒子数反转

8、分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量1．粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收