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1、1-1Copyright Wang Yan 第五章第五章 光纤通信中的光源光纤通信中的光源第一节第一节 激光产生的基本原理激光产生的基本原理第二节第二节 半导体激光器的基本概念半导体激光器的基本概念第三节第三节 异质结半导体激光器的工作原理异质结半导体激光器的工作原理第四节第四节 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性8/22/202411-2Copyright Wang Yan 1 1. . 光源的作用是将电信号转换成光信号。光源的作用是将电信号转换成光信号。2 2. .光纤通信中常用的光源器件有半导体激光二极管和发光二极管。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光二极管和发光二极管。优点
2、：优点：( (1)1)发射波长与光纤的低损耗或低色散波长相一致；发射波长与光纤的低损耗或低色散波长相一致；( (2)2)能够在室温下连续工作能够在室温下连续工作, ,输出功率满足光纤通信系统的要求；输出功率满足光纤通信系统的要求；( (3)3)谱线宽度可以做的较谱线宽度可以做的较窄窄, ,以减少光纤中的色散的影响；以减少光纤中的色散的影响；( (4)4)体积小体积小, ,重量轻重量轻, ,使用寿命长使用寿命长, ,与光纤耦合效率高与光纤耦合效率高, ,调制简便。调制简便。8/22/202421-3Copyright Wang Yan 一一. .原子的能级结构原子的能级结构 A.能级能级 B.B
3、oltzman Distribution第一节第一节 激光产生的基本原理激光产生的基本原理8/22/202431-4Copyright Wang Yan 二二 光的辐射和吸收光的辐射和吸收A A自发辐射自发辐射1.1.原子在外界影响的情况下原子在外界影响的情况下, ,处在高能级上的电子会自发的向低能处在高能级上的电子会自发的向低能级跃迁而发光。级跃迁而发光。8/22/202441-5Copyright Wang Yan 2.2.自发辐射几率自发辐射几率A21:A21:单位时间内单位时间内N2N2个高能态的原子中发生自发跃迁个高能态的原子中发生自发跃迁的原子数与的原子数与N2N2的比值自发辐射的
4、比值自发辐射EinstainEinstain系数。系数。( (dNdN2121) )spsp: :由于自发跃迁引起的有由于自发跃迁引起的有E E2 2向向E E1 1跃迁的原子数跃迁的原子数3.3.能级的平均寿命能级的平均寿命 =1/=1/A A21214.4.自发辐射的特点自发辐射的特点: : ( (1) 1) 各个处于高能级的粒子都是自发地各个处于高能级的粒子都是自发地. .独立的进行跃迁；独立的进行跃迁； ( (2 2) ) 辐射光子的频率不同辐射光子的频率不同, ,自发辐射的频率范围很宽；自发辐射的频率范围很宽； (3) (3) 发射方向和相位也不同；发射方向和相位也不同； (4) (
5、4) 非相干光发射非相干光发射: :不同频率不同频率, ,相位相位, ,偏振方向偏振方向, ,简并度。简并度。8/22/202451-6Copyright Wang YanB. B. 受激吸收受激吸收 1 1 . . 处于低能级处于低能级的的E1E1的一个原子的一个原子, ,在频率为在频率为f f的辐射场的作用下的辐射场的作用下, ,吸收吸收一个能量为一个能量为hfhf的光子的光子, ,并受激的向并受激的向E E2 2能级跃迁能级跃迁hfhf=E=E2 2-E-E1 1。 2 2 受激吸收几率受激吸收几率: : 8/22/202461-7Copyright Wang Yan r r1212不仅
6、与原子性质有关不仅与原子性质有关, ,而且还与外界辐射场的能量密度而且还与外界辐射场的能量密度 f f（单单位体积内，频率处于位体积内，频率处于f f附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量）附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量）有关：有关： B B1212受激吸收跃迁受激吸收跃迁EinstainEinstain系数系数. .它只与原子性质有关。它只与原子性质有关。C. C. 受激辐射受激辐射 1 1. . 处于高能级处于高能级E2E2的一个原子的一个原子, ,在频率为在频率为f=(Ef=(E2 2-E-E1 1)/h)/h的光子激发下的光子激发下, , 受激的受激的向向E E1 1能级跃迁能级跃迁,
7、 ,同时同时, ,放出一个能量放出一个能量为为hfhf=E=E2 2-E-E1 1的光子的光子 2. 2.受激辐射跃迁几率受激辐射跃迁几率8/22/202471-8Copyright Wang Yan 是受激辐射跃迁的是受激辐射跃迁的EinstainEinstain系数系数 三三 . .激光产生的条件激光产生的条件 A .(1) Amplifying Medium (2) Pumping Source (3) Optical Feedback (Cavity) B.粒子数反转粒子数反转 阈值条件阈值条件: :增益增益= =损耗损耗8/22/202481-9Copyright Wang Yan C. C. 相位平衡条件相位平衡条件: :激光器必须工作在谐振腔的工作模式激光器必须工作在谐振腔的工作模式 上。上。 光腔的驻波条件光腔的驻波条件: :在腔内形成驻波。在腔内形成驻波。总结总结:lasers 1.Optical gain + feedback 2. Spontaneous and stimulated emission 3. Threshold, discrete spectrum ,narrow radiation pattern8/22/20249
