《现代光纤通信技术及应用-第3章-光发送机和光接收机课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代光纤通信技术及应用-第3章-光发送机和光接收机课件（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、延迟符现 代 光 纤通 信 技 术及 应 用第3章 光发送机和光接收机延迟符目 录CATALOG延迟符010203043.1 激光产生的物理基础3.2 半导体激光器和发光二极管3.3 几种特殊结构的半导体激光器3.4 光调制0506073.5 光发送机3.6 光检测器3.7光接收机延迟符3.1 激光产生的物理基础PART 01延迟符3.1.1 激光产生的原理3.1.2激光器的工作原理12延迟符内容三种能级跃迁的方式3.1.1 激光产生的原理n自发辐射：高能级高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能机跃迁到低能机E1上与空穴复合，释放的能量以光
2、子的形式辐射。上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。n受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2上。上。n受激辐射：处于高能级处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。上。3.1.1 激光产生的原理双能级原子系统的三种跃迁双能级原子系统的三种跃迁h h E E2 2E E1 1自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁E E2 2E E1 1受
3、激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁h h h h E E2 2E E1 1受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁h h h h 受激发射的光子受激发射的光子受激发射的光子受激发射的光子与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位和传播方向和传播方向和传播方向和传播方向自发发射和受激发射的特点3.1.1 激光产生的原理n n自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。n n在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡
4、情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。n n当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射
5、的强后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。度大几个数量级。度大几个数量级。度大几个数量级。n n总结激光发射的首要条件：总结激光发射的首要条件：总结激光发射的首要条件：总结激光发射的首要条件：n n工作物质工作物质工作物质工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAsGaAs和和和和InGaAsPInGaAsP）n n外界供给能量外界供给能量外界供给能量外界供给能量满足满足满足满足粒子数反转粒子
6、数反转粒子数反转粒子数反转（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）光的吸收和放大3.1.1 激光产生的原理n光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。n粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低
7、能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。n光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。3.1.2激光器的工作原理激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理n激光器的产生 激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。激光器是用来产生激光的装置，包括工作物质、激励系统和光学谐振腔工作物质、激励系统和光学谐振腔3个最基本的部分。1.工作工作物质物质
8、：指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的粒子体系，也称激光增益介质。对激光工作物质的主要要求是，尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转。2.激励激励系统：系统：指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。3.光学谐振腔：光学谐振腔：通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两个反射镜按特定的方式组合而成的.3.1.2激光器的工作原理L满足粒子数反转分布的激光工作物质部分反射镜激光器的构成图反射镜激光输出激光器的构成激光器的构成3.1.2激光器的工作原理光学谐振腔示意图光学谐振腔示意图 光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：（1）提供光学反馈能力，使受
9、激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。（2）对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。光学谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光，产生稳定振荡的条件为2L=m/n，m为纵模基数，n为激光介质的折射率。光的吸收和放大3.1.1 激光产生的原理n光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。n粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量
10、，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。n光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。延迟符3.2 半导体激光器和发光二极管PART 02延迟符延迟符3.2.1 半导体激光器的发光机理3.2.2 半导体激光器的工作特性3.2.3
11、半导体发光二极管的发光机理3.2.4 半导体发光二极管的工作特性1234内容1.PN结的能带和电子分布 半导体激光器是以半导体材料作为工作物质而产生激光的器件，其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。3.2.1 半导体激光器的发光机理图图半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布2.注入式半导体激光器的工作原理 注入式半导体激光器结构示意图上图所示，注入式半导体激光器的主体是一个正向偏置的PN结，当电流密度超过阈值时，注
12、入载流子（电子和空穴）在PN结结区通过受激辐射复合，产生激光。3.2.1 半导体激光器的发光机理图图 注入式半导体激光器结构示意图注入式半导体激光器结构示意图1.阈值 当半导体激光器外加激励的能源功率（一般为电能）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到一定程度，激光器才能克服光学谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就是它的阈值。P-I特性是半导体激光器最重要的特性，注入式半导体激光器P-I特性曲线示意图如上图所示。当注入电流增大时，输出功率也随之增大，在达到阈值电流Ith之前输出荧光，达到Ith之后输出激光。3.2.2 半导体激光器的工作特性图图 注入式半导体激光器注入式半导体激光器P-I
13、特性曲线示意图特性曲线示意图2.转换效率（1）功率转换效率是输出光功率与消耗的电功率之比：3.2.2 半导体激光器的工作特性（2）输出光子数与注入电子数之比为量子效率：）输出光子数与注入电子数之比为量子效率：3.激光器的温度特性式中，T为器件的绝对温度；I0为常数；T0为激光器材料的特征温度，T0越大，器件的温度特性越好。3.2.2 半导体激光器的工作特性半导体激光器半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。4.发射波长和光谱特性1）发射波长3.2.2 半导体激光器的工作特性2）光谱特性n单模激光
14、单模激光(SLM):(SLM):光谱只有光谱只有1 1根谱线，谱线峰值波长称为根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于中心波长，谱线宽度小于0.1nm0.1nm，光谱很窄光谱很窄。n多模激光多模激光(MLM):(MLM):光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边模，其它的模式称为边模，谱线宽度为几个纳米谱线宽度为几个纳米。LED发光原理示意图 半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）由P型半导体形成的P层和N型半导
15、体形成的N层，以及中间由双异质结构成的有源层组成。3.2.3 半导体发光二极管的发光机理1.P-I特性在注入电流较小时，曲线基本是线性的；当注入电流较大时，由于PN结发热而出现饱和现象。3.2.4 半导体发光二极管的工作特性LED的P-I 特性曲线示意图2.转换效率（1）内部内部量子效率是输出光子数与注入电子数之比量子效率是输出光子数与注入电子数之比3.2.4 半导体发光二极管的工作特性2.转换效率（2）外部量子效率为）外部量子效率为3.2.4 半导体发光二极管的工作特性3.光谱特性及温度依赖性 在在室温下，短波长室温下，短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为谱线宽度为3050nm，长
16、波长，长波长InGaAsP-InP LED谱线宽度为谱线宽度为60120nm。随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长。随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向漂移，其漂移量为向长波长方向漂移，其漂移量为0.3nm/左右。左右。3.2.4 半导体发光二极管的工作特性 LED的光谱特性4.U-I特性图 LED的U-I特性曲线示意图3.2.4 半导体发光二极管的工作特性3.2.4 半导体发光二极管的工作特性nLED与LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。nLED不需要光学谐振腔，没有阈值。延迟符3.3 几种特殊结构的半导体激光器PART 03延迟符延迟符3.3.1 分布反馈激光器3.3.2 分布式布拉格反射激光器3.3.3 垂直腔面发射激光器3.3.4 光纤激光器1234内容 分布反馈（DFB）激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。3.3.1 分布反馈激光器图 分布反分布反馈激光器激光器结构示意构示意图3.3.2分布式布拉格反射激光器图 分布式布拉格反射激光器示意分布式布拉格反射激光器示意图3.3.3
