光纤通信第3章ppt课件.ppt

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1、第三章光源与光发送机目的和要求了解光与物质相互作用过程、半导体发光原理、激光器的工作过程；掌握光纤通信用半导体激光器的工作原理及激光特性。掌握光调制原理及过程掌握光发送机结构及各部分功能本章主要内容3.1光与物质相互作用基础3.2激光器工作原理3.3半导体物理基础及半导体激光器3.4通信中常用光源及其工作特性3.5光源的调制3.6光发射机3.1光与物质相互作用基础3.1.1光的波动理论与光子学说光的波、粒两象性。一、光的波动学说光是波长很短的电磁波。1.Maxwell方程与波动方程描述变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场的变化规律。2.电磁波的有关性质光波作为一种电磁波，具有电磁波的一般共性

2、。（1）光是一种横波（2）能量密度与能流密度的概念能量密度（W）：能流密度（S）：是指电磁场内单位体积中，电场的能量密度（We）与磁场的能量密度（Wm）的总和，即W=We+Wm。表示单位时间通过垂直于光传播方向上单位面积的能量，又称为坡印廷矢量。（3）时谐变电磁场的概念常将光波作为简谐波处理，具有一定的波长、频率、传播速度、振幅和相位等。以此为基础可推导出光波的波动方程---亥姆霍兹方程。（4）平面波的极化（5）光在介质中传播时的传播常数（6）自由空间中传播的是一种行波二、光子学说光子学说的核心是：光是一些以光速C传播的物质单元----光子组成的。光子的基本属性：（1）光子具有能量（E),这种

3、能量与一定的光频率相对应。（2）光子具有动量（P），而这种动量与一定的光波长，一定的传播方向相对应。（3）光子具有质量（m），但光子静态质量为0，动态质量与能量有关。此外，光子还具有两种独立的偏阵态和具有自旋等。光子的动量与位置不能同时确定，由测不准关系来限制。3.1.2固体的能带固体原子由很多构成又包含原子核许多电子能带的形成：固体中的原子相互靠近，使得固体中的电子已经不再属于某一个原子而是为整个物体所共有。由于原子间靠得很近，相互作用强烈而引起电子的共有化运动结果导致了能级的分裂，能量相近的能级相互靠近而形成能带。固体的能带形成固体的原子间相互靠近能量相互靠近的能级形成能带一些光学现象就是

4、电荷在能带之间跃迁造成的。导带Ec价带Ev禁带固体的能带图根据禁带的宽度（Eg）将固体分为：导体、绝缘体和半导体。导带：自由电子的能带。禁带：不允许电子存在，宽度为导带和价带间的距离。价带：价电子的能带。EcEvEg=EcEvEg=0EcEvEg=Ec-Ev绝缘体的能带图导体的能带图半导体的能带图3.2激光器工作原理3.2.1光与物质相互作用的三个基本过程在热平衡状态下，大多数粒子处在较低的能量状态，当受到某种激励，粒子可能到达较高的能量状态，这种从一种能量状态变到另一种能量状态的过程叫跃迁。跃迁分为三种过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。一、自发辐射以一个最简单的二能级系统为例，若粒子处于

5、高能级E2上，停留一个极短的时间后就会自发地向低能级E1跃迁，并发射出一个能量为hν=E2-E1的光子。E1E2释放频率为ν21的光子自发辐射过程图A21：Einstain自发辐射系数或称为自发辐射跃迁几率。其物理意义：在单位时间内E2能级上发生自发辐射的粒子数与E2能级上粒子数n2的比值（即每个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发辐射的几率）。自发辐射的特点：（1）只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。（2）自发辐射发出的光子沿任意随机方向，没有规律性，所发出的光称为荧光。二、受激吸收当外来辐射场作用于物质时，辐射场包含有频率为ν=（E2-E1）/h的电磁波

6、（光子），使低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃迁到E2上去，这个过程称为受激吸收。吸收频率为ν21的光子受激吸收过程图E1E2B12：Einstain受激吸收系数。W12:W12=B12ρ(υ)，其中ρ(υ)为入射光子能量密度。W12的物理意义：在ρ(υ)的光照下，单位时间内发生受激吸收的几率。受激吸收的特点：受激吸收是一个既与原子性质有关，又与外来辐射场ρ(υ)有关的过程。三、受激辐射如果外来光的频率正好等于ν=（E2-E1）/h，由于受到入射光子的激发，E2能级上的粒子会跃迁到E1能级上去，同时释放出一个光子，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子相一致，称为受激辐射。它为激光的产

7、生奠定了基础。E1E2释放频率为ν21的光子受激辐射过程图入射频率为ν21的光子W21物理意义：表示单位时间内，在ρ(υ)光照下，由于受激辐射而从高能级E2跃迁到低能级E1，即发生受激辐射的几率。受激辐射的特点：（1）既与原子性质有关，也与外来辐射有关的过程。（2）受激辐射的光子的频率、振动方向、相位和方向都与外来光子一致。B21：Einstain受激辐射系数。W21:W21=B21ρ(υ)，其中