第 3 章 通信用光器件-1

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1、第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性3.1.3分布反馈激光器3.1.4发光二极管3.1.5半导体光源一般性能和应用3.2光检测器3.2.1光电二极管工作原理3.2.2PIN光电二极管3.2.3雪崩光电二极管(APD)3.2.4光电二极管一般性能和应用3.3光无源器件3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3.3.3光隔离器与光环行器3.3.4光调制器3.3.5光开关返回主目录第3章通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光

2、放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构一、半导体激光器的工作原理受激辐射和粒子数反转分布PN结的能带和电子分布激光振荡和光学谐振腔二、半导体激光器基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性一、发射波长和光谱特性二、激光束的空间分布三、转换效率和输出光功率特性四、频率特性五、温度特性3.1.3分布反馈激光器一、工作原理二、DFB激光器的优点3.1.4发光二极管一、工作原理二、工作特性3.1.5半导体光源一般性能和应用3.1光源光源是光发射机的关键

3、器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。光纤通信系统对光源的要求1、合适的发光波长2、足够的输出功率3、可靠性高，寿命长4、输出效率高5、光谱宽度窄6、聚光性好7、调制方便8、价格低廉3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器

4、是向半导体PN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，实现光放大而产生激光振荡的。受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射(见图3.1)hf12初态E2E1终态E2E1(a)受激吸收；能级和电子跃迁(b)自发辐射；hf12初态E2E1终态E2E1hf12初态E2E1终态E2E1(

5、c)受激辐射(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。(2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级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，见图3.1(b)。(3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。受激辐射和受激

6、吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物

7、质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质

8、时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。图3.2半导体的能带和电子分布(a)