光纤通信-光源和光发射机(课堂版).ppt

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1、第四章光源和光发射机4.1发光机理4.2激光器的一般工作原理4.3半导体激光器4.4半导体发光二极管4.5光源的调制4.6光发射机9/15/20211第4章光源和光发射机光发射机：OpticalTransmitter将电信号转化为光信号。光发射机的核心是光源。光纤通信光源包括：半导体激光器LD（LaserDiode）半导体发光二极管LED（LightEmittingDiode）都属于半导体器件，共同特点：体积小、重量轻、耗电量小9/15/20212第4章光源和光发射机4.1发光机理4.1.1光子（Photon）4.1.2能级（Energyl

2、evel）4.1.3光与物质的三种作用形式9/15/20213第4章光源和光发射机4.1.1光子思考：光是什么？光是电磁波，通常意义上的光是指可见光，即能引起人的视觉的电磁波.频率范围:3.9×1014Hz——8.6×1014Hz波长范围:350nm——760nm不同频率的光给人以不同颜色的感觉:赤橙黄绿青蓝紫频率由小到大，波长由大到小9/15/20214第4章光源和光发射机4.1.1光子（Photon）思考：光子是什么？不同频率的光子具有不同的能量。光子的频率越高，它所携带的能量就越多。而携带信息的光波，它所具有的能量只能是的整数倍。当光

3、与物质相互作用时，光子的能量做为一个整体被吸收或发射。光是由能量为的光量子组成的这些光量子被称为光子。是光波频率称为普朗克常数其中：9/15/20215第4章光源和光发射机4.1.1光子4.1发光机理光不仅具有波动性，而且具有粒子性；而波动性和粒子性是不可分割的统一体。光具有波动、粒子两重性。光在不同场合下表现出来两种属性：当光在空间和光纤中传播时主要表现出波动性；当光与物质相互作用时，光的行为又表现出粒子性。9/15/20216第4章光源和光发射机4.1.2能级（Energylevel）那么：能级是什么？我们已经知道：物质是由原子构成，而

4、每个原子又是由原子核和核外沿一定轨道绕核旋转的电子组成。电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。因为每个轨道对应着一定的能量值，所以电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些允许的能量值，因轨道不同，都是一个个地分开的，且是不连续的，离散的。我们把这些分立的能量值，称为原子的能级。4.1发光机理9/15/20217第4章光源和光发射机根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述各能级被电子占据的状态。f(E)用来描述能量为E的能级被

5、电子占据的几率4.1.2能级（Energylevel）4.1发光机理E=Ef则f(E)=1/2该能级被电子占据概率为50％E>Ef则f(E)<1/2该能级被电子占据概率小于50％E1/2该能级被电子占据概率大于50％9/15/20218第4章光源和光发射机4.1.2能级4.1发光机理能量最低的状态称作基态(groundstate)，其它能量较高的状态称作激发态(excitedstate)。一般情况下，原子处于低能级的激发态或基态，由于外界的激励(stimulate)，如原子的碰撞，外界的辐射等，使得原子处于较高能级的激发态

6、。●●●●●●处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地回到低能级的激发态或基态，这一过程称作电子跃迁。9/15/20219第4章光源和光发射机4.1.3光与物质的三种作用形式光可以被物质吸收，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，这里存在着三种不同的基本过程，即：自发辐射受激吸收受激辐射9/15/202110第4章光源和光发射机一、自发辐射●●●●物质原子中的电子在未受到外界激发的情况下，高能级E2上的电子由于不稳定，自发地向低能级E1跃迁，在跃迁的过程中，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程称为自发辐射。当发射的

7、电磁波的波长在光波范围内，就是原子发光过程——这就是原子的发光机理●●这是一种发光过程。9/15/202111第4章光源和光发射机一、自发辐射的特点这个过程是在没有外界作用的条件下，而自发产生的，是自发跃迁；由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不是一个，而可以是一系列的高能级，因此，辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽；即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁，也就是辐射出的光子的频率相同时，但由于它们是独立的、自发的辐射。因此，它们的发射方向和相位也是各不相同的，因此是非相干光。9/15/202112第4章光源和光发

8、射机●●●●原子每一次发光所持续的时间，是有限的而且很短；同时所发射电磁波能量也是有限的，即两个能级之差。所以一个原子每一次发光就只能发出一段长度有限，频率一定和振动方向一定的光