章通信用光器件EDFA

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1、第3章通信用光器件9/20/20211本章内容、重点和难点本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。光电检测器：PIN和APD光电二极管。无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。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。无源光器件的功能及主要性能。本章难点发光机理。第3章通信用光器件（教材第52页）9/20/20212学习本章目的和要求了解半导体激光器的物理基础。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驱动电路工作原理。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握无源光器件的功能及主要性能。第3章通信用光器件（教材

2、第52页）9/20/202133.1光源光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。（教材第53页）9/20/202143.1.1激光器的工作原理半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光

3、放大而产生激光振荡输出激光。1．激光器的物理基础（1）光子的概念光量子学说认为，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。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。（教材第53页）9/20/202153.1.1激光器的工作原理（2）原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级E1称为基态，能量比基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E=E2

4、−E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f12之间有以下关系式式中，h为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1的电子受到一个光子能量∆E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。（教材第53页）9/20/202163.1.1激光器的工作原理（3）光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，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、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。图3-1能级和电子跃迁（教材第54页）9/20/202173.1.1激光器的工作原理

5、①在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。②处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。③在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射——激光器。注：受激辐射光

6、为相干光，自发辐射光是非相干光。（教材第54页）9/20/202183.1.1激光器的工作原理（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。（教材第54页）9/20/202193.1.1激光器的工作原理2．激光器的

7、工作原理激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（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。（教材第55页）9/20/2021103.1.1激光器的工作原理（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，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