光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统ppt课件.ppt

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1、3.1半导体材料中的光电效应3.2半导体激光器（LD）3.3半导体发光二极管（LED）3.4新型半导体激光器3.5光源的调制3.6光发射机第三章光源与光发射系统3.1.1能级与能带1．光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S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。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。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。2．原子的能级物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。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

2、轨道。轨道越高，能量也越高。当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。3．晶体的能带晶体的能谱在简并能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若跃迁过程中交换的能量是热

3、运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。后者是研究光与物质相互作用的基础。爱因斯坦指出，光与物质的相互作用存在着三种不同的基本过程：受激吸收自发辐射受激辐射这三种物理过程表明，在光与物质的相互作用时，光可以被物质吸收，也可以从物质中发射出来。3.1.2光与物质的三种作用在正常状态下，电子处于低能级E1上，在频率为f=(E2-E1)/h的入射光子的激发下，低能级E1上的电子将会吸收外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收过程。1.受激吸收受激吸收的特点如下：①受激吸收过程必须在入射光子的激发下才会产生，因此是受激

4、跃迁。②入射光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使在没有受到外界激发的情况下也会自发地向低能级E1上跃迁，与空穴复合，发射出一个能量为E=E2-E1的光子，称为光的自发辐射过程。2.自发辐射自发辐射的特点如下：①自发辐射过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②由于发射出光子的频率取决于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不只是一个，可以是一系列的高能级，因此，辐射出的光子的频率不同，频率范围很宽。③即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也

5、是独立的、随机的辐射，产生的光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位与偏振方向，并且向空间各个角度传播，是一种非相干光在高能级E2上的电子，在受到入射光的作用下，将会被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放出一个能量为E=E2-E1的光子，产生光辐射，叫做受激辐射。3.受激辐射受激辐射的特点如下：①入射光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激辐射产生的光子与感应光子是全同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此产生的是相干光。③受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程3.1.3激光器的一般工作原理激光的英文缩写是LAS

6、ER，即LightAmplificationbySimulatedEmissionofRadiation，意思是通过受激辐射实现光放大。产生光放大的前提是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。因此，受激辐射是产生激光的关键。1.粒子数反转分布设在单位物质中，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，存在下面的分布其中，k为波耳兹曼常数=1.38×10-23J/K，T为绝对温度。由于(E2－E1)>0，T>0，因此在正常状态下，总是有N1>N2。而受激吸收的速率与N1成正比，受激辐射的速率与N2成正比

7、，所以在正常状态下，受激吸收大于受激辐射。也就是说，在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。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。1.粒子数反转分布要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种与正常状态分布（N1>N2）相反的反常态粒子数分布，称为粒子数反转分布。处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或者激活物质。2.激光器的基本组成增益物质可以使粒子数处于反转分布状态的工作物质泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择光学谐振腔①光

8、学谐振腔的结构最简单的的光学谐振腔是在增益物质两端的适当位置，分别放置一个反射镜，受激辐射产生的光子在腔内（两块反射镜之间）来回反射，如