光纤讲义-第4章 光源及光发射机

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1、第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机4.1半导体中光的发射和激射原理4.1.1激光产生的物理基础4.1半导体中光的发射和激射原理1.原子的能级4.2半导体发光二极管激光的产生与光源内部原子的结构和运动状态密4.3半导体激光二极管切相关。原子由原子核和绕原子核旋转的核外电子组4.4数字光发射机成。近代物理实验证明，原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子4.5密集波分复用通信中的光源技术的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机我们把这种电子、原子

2、、分子等微观粒子的能量不连其中，N1、N2为处于能级E1、E2上的粒子数，续的分立的内能称为粒子的能级。粒子处于最低能级k0=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，如时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。图4.1为玻尔兹曼分布曲线。通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被2.光与物质的相互作用激发至高能级，且能级越高，处于该能级的粒子数越研究指出，光与物质间存在以下三种相互作用关少。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻系：尔兹曼统计分布（1）自发辐射。N2=--(E2E10)/kT在没有外界激发的情况下，处于高能

3、级E2上的粒子e(4.1)N由于不稳定，将自发的向低能级E1跃迁，发射出能量为1hf的光子，f为光子的频率EE，有-f=21(4.2)h第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机E式中，h=6.625×10-34J·s为普朗克常数。这种发光过程称为自发辐射，如图4.2(a)所示。E1对于处在高能级E2上的粒子来说，它们各自独立地、随机地分别跃迁到低能级E1上，发射出一个一个E2的光子，这些光子的能量相同，但彼此无关，且具有不同的相位及偏振方向，因此自发辐射发出的光是非E3相干光。0NNNN123图4.1玻尔兹曼分布曲线1当前PDF文件使用【皓天PDF

4、打印机】试用版创建ÿhttp://www.htit.cnÿ第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机（2）受激吸收。在外来光子的作用下，处在低能级上的粒子，吸EEEE2222自发辐射光入射光收光子的能量跃迁到较高能级上的过程，称为受激吸hf＝E－Ehf＝E－E2121EEEE收，如图4.2(b)所示。处在低能级E1上的粒子在一个频1111率为f=(E2-E1)/h的外来光子的作用下，吸收光子能量跃(a)(b)迁到能级E2上去。EE22入射光受激辐射光hf＝E－E21hf＝E－E入射光hf＝E－E2121EE11(c)图4.2自发辐射、受激吸收和受激辐

5、射示意图(a)自发辐射；(b)受激吸收；(c)受激辐射第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机（3）受激辐射。3.粒子数的反转分布及光放大处在高能级E2上的粒子，在受到频率为f=(E2-E1)/h通常情况下(即热平衡条件下)，处于低能级的粒子的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为f数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒的光子的过程，称为受激辐射，如图4.2(c)所示。受激子在各能级之间分布符合费米统计规律辐射的过程不是自发的，是受到外来入射光子激发引1起的，而且受激辐射所发射的光子具有与入射光子相fE()=()E-EkT(4.3)

6、1+ef同的能量、频率以及相同的相位、偏振方向、传播方向等，这种光子称为全同光子。因此受激辐射的发光是相干光。第4章光源及光发射机第4章光源及光发射机其中,f(E)是能量为E的能级被粒子占据的几率，称在外界能量作用下，处于低能级的粒子将不断地被为费米分布函数;Ef为费米能级，与物质特性有关，不激发到高能级上去，从而使高能级上的粒子数大于低能一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒级上的粒子数，这种分布状态称为粒子数的反转分布。子占据能级状况的标志。当能级E0.5时，说在外界入射光的激发下，高能级上的粒子产生大量的全明这种能级

7、被粒子占据的几率大于50%；当能级同光子，以实现对入射光的放大作用。E

8、工作原理如图4.3激光器构成原理示意图所示，反射率为（Laser,LightAmplificationbySimulate