第3章 光纤通信器件ppt课件.ppt

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1、第3章　　光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件13.1半导体光器件光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）。23.1半导体光器件3.1.1激光器的物理基础3.1.2激光器的工作原理3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4分布反馈半导体激光器3.1.5量子阱半导体激光器33.1.1激

2、光器的物理基础1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用41．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。52．费米能级（1）原子能级的概念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。当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。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。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量

3、只能有某些允许的数值。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。62．费米能级（2）费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。7图3-1费米分布函数变化曲线83．光和物质的相互作用光可以被物质吸收，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

4、基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。93．光和物质的相互作用（1）自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下：①这个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辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。103．光和物质的相互作用图3-2原子的自发辐射113．光和物质的相互作用（2）受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生

5、，因此是受激跃迁。②外来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。123．光和物质的相互作用图3-3原子的受激吸收133．光和物质的相互作用（3）受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③这

6、个过程可以使光得到放大。143．光和物质的相互作用图3-4原子的受激辐射153.1.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。163.1.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量171．粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于

7、受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。182．激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。193．光学谐振腔①光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是

8、球面镜，则称为球面腔。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r<1，产生的激光由此射出。②谐振腔如何产生激光振荡。203．光学谐振腔图3-5光学谐振腔的结构213．光学谐振腔图3-6激光器示意图223．光学谐振腔综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须