光纤通信技术与设备 教学课件 ppt 作者 段智文 光纤通信-3
85页1、第3章 通信光器件,3.1 光源 3.2 光电检测器 3.3 光放大器 3.4 无源光器件 思考题,第3章 通信光器件,目标 掌握光与物质的三种作用方式 了解激光器的结构 掌握激光器的原理 了解激光器的性能 了解发光二极管的原理、结构和性能 掌握激光器与发光二极管性能上的异同 了解光电检测起的结构 掌握光电检测器的原理和应用 了解光放大器的知识 掌握掺铒光纤放大器的原理、组成和应用 了解光无源器件的种类 掌握常用光无源器件的性能,3.1 光源,光源可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件,它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本节主要对半导体激光二极管(LD)和半导体发光二极管(LED)和这两种光源的结构、工作原理以及相关的特性进行介绍,并给出了它们的技术指标。,3.1.1 与激光器相关的几个物理概念,1光子的概念 爱因斯坦的光量子学说认为,光是由能量为hf的光量子组成的,其中h=6.6281034Js(焦耳秒),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。 2原子能级 半导体晶体,原子核外的电子运动轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程
2、度的重叠,晶体中的能级如图3-1所示,电子已经不属于某个原子所有,它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动,也就是说,原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带,次外层的能带称为价带,它们之间的间隔内没有电子存在,这个区间称为禁带。,图3-1 晶体中的能级,3光与物质的三种作用形式 与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。能级和电子跃迁如图3-2所示。,图3-2 能级和电子跃迁,4粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1,高能级上的粒子密度为N2,在正常状态下,N1N2,总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下,物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,即使N2N1(高能级上的电子数多于低能级上的电子数),这种粒子数的反常态分布称为粒子(电子)数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,5直接带隙和间接带隙半导体 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的,依照禁带的形状,可将半导体分
3、成直接带隙和间接带隙如图3-3所示。直接带隙材料中,导带最小能级和价带最大能级有相同的动量,电子是垂直跃迁的,发光效率高,如图3-3a所示;间接带隙材料中,要完成电子的跃迁,必须有其它粒子的参与以保持动量守恒,如图3-3b所示,只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件,这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。,图3-3 直接带隙和间接带隙,3.1.2 激光器的原理,半导体激光器要实现激光发射工作,必需满足以下三个条件: (1)产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益物质,它是产生激光的必要条件。 (2)泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下,使得N2N1,从而受激辐射大于受激吸收,有光的放大作用。这时的工作物质已被激活,成为激活物质或增益物质。 (3)光学谐振腔 激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中,以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。,1)光学谐振腔的结构。,图3-4 光学谐振腔的结构,2)谐振腔产生激光振荡过程。,图3-5 激光
4、器示意图,3)光学谐振腔的谐振条件与谐振频率。,设谐振腔的长度为L,则谐振腔的谐振条件为 (3-1) 或 (3-2) 式中,c为光在真空中的速度;为激光波长;n为激活物质的折射率;L为光学谐振腔的腔长;q=1,2,3,称为纵模模数。,4)起振的阈值条件。,如以Gth表示阈值增益系数,则起振的阈值条件是 (3-3) 式中,为光学谐振腔内激活物质的损耗系数;L为光学谐振腔的腔长;,为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。,3.1.3 激光器的特性,1发射波长 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关,因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。,2阈值特性(P-I特性) 对于LD,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith表示。典型半导体激光器的输出特性曲线如图3-6所示。为了稳定可靠的工作,阈值电流越小越好。,图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线,3光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。 图3-7 激光器的光谱特性,对于单纵模激光器,定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比,它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。
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