西安电子科技大学：《光纤通信》课程PPT教学课件（讲稿）第3章 通信用光器

第3章通信用光器 3.1光源 3.2光检测器 3.3光无源器件 返回主目录

第 3 章 通信用光器 3.1 光源 3.2 3.3 光无源器件 返回主目录

第3章通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型 有源器件包括光源、光检测器和光放大器,这些器件是光发 射机、光接收机和光中继器的关键器件,和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合 器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等,这些器件对 光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺 少的。 本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性,为系统 的设计提供选择依据

第 3 章 通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发 射机、 光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合 器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对 光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺 少的。 本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性， 为系统 的设计提供选择依据

3光源 光源是光发射机的关键器件,其功能是把电信号转换 为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激 光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED), 有些场合也使用固体激光器,例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。 本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结 构和主要特性,然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激 光器ODFB-LD),最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的 发光管(LED)

3.1光源 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换 为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激 光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。 本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结 构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激 光器(DFB - LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的 发光管(LED)

311半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流,实现粒子数反 转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放大 而产生激光振荡的。激光,其英文 LASER就是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光 放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。 1.受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质 的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为基态,能量比基态 大的能级E(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和 高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图31)

3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反 转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大 而 产 生 激 光 振 荡 的 。 激 光 ， 其 英 文 LASER 就 是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光 放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。 1. 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质 的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态 大的能级Ei (i=2, 3, 4 …)称为激发态。电子在低能级E1的基态和 高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)：

初态 h, 终态 (a) 图3.1能级和电子跃迁 (a)受激吸收;(b)自发辐射;(c)受激辐射

图 3.1 (a) 受激吸收； (b) 自发辐射； (c) 受激辐射 hf1 2 E2 初 态 E1 E2 终 态 E1 (a) (b) hf1 2 (c) hf1 2 hf1 2

(1)在正常状态下,电子处于低能级E1,在入射光作用下 它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上,这种跃迁称为受激吸 收。电子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图 3.1(a)。 (2)在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用, 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为 光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射,见图3.1(b) (3)在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到 低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称 为受激辐射,见图3.1(c)

(1) 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下， 它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸 收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴， 3.1(a)。 (2) 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为 光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。 (3) 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到 低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称 为受激辐射，见图3.1(c)

受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级 之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条 件,即 E1=hf12(3.1) 式中,h=6.628×1034J-s,为普朗克常数,f2为吸收或辐射的 光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射 光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称 为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产 生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱 的,这种光称为非相干光

受激辐射是受激吸收的逆过程。 电子在E1和E2两个能级 之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条 件，即 E2 -E1=hf12 (3.1) 式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的 光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射 光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称 为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产 生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱 的，这种光称为非相干光

产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。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 式中,k=1.381×10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为热力学 温度。由于(E2E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐 射的速率分别比例于N1和N2,且比例系数(吸收和辐射的概率) 相等。如果N1>N2,即受激吸收大于受激辐射。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

产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 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， ， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学 温度。由于(E2 -E1 )>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐 射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率) 相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。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

如果N2N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种 物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质。N2>N1 的分布,和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电 子)数反转分布。问题是如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述 2.PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体 在这种晶体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展 成能级连续分布的能带,如图3,2。能量低的能带称为价带, 能量高的能带称为导带,导带底的能量Ec和价带顶的能量Eⅴ 之间的能量差EE=E称为禁带宽度或带隙。电子不可能占 据禁带

如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种 物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1 的分布，和正常状态(N1>N2 )的分布相反，所以称为粒子(电 子)数反转分布。问题是如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述。 2. PN 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展 成能级连续分布的能带，如图3.2。能量低的能带称为价带， 能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec -Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占 据禁带

能量 导带 goode °。°E Eg E E E E 3o。ooE 价带 图32半导体的能带和电子分布 (a)本征半导体;(b)N型半导体;(c)P型半导体

图 3.2 (a) 本征半导体；(b) N型半导体； (c) P型半导体 Eg / 2 Eg / 2 Ef Ec Ev Eg 导 带 价 带 能 量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (a) (b) (c)