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第3章 光纤通信的基本器件
光源与光器件
电子电气工程系电子信息技术教研室
1、掌握光与物质的作用过程
2、掌握半导体激光器的发光机理及其特性
3、掌握半导体二极管的发光机理及其特性
4、了解光纤通信系统的实用光源
5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管的结构及原理
6、了解各种光无源器件的类型及其作用
7、掌握常用光纤连接器的特点
第3章 光纤通信的基本器件----
能力要求:
3.2 光检测器
3.3 光放大器
3.1 光源
3.4 光无源器件
对光源的要求:
性能好、寿命长、使用方便
1)发射光波长必须在光纤的低损耗窗口;
2)光源的输出功率要足够大
3)温度特性优良
4)光源的发光谱宽度要窄
5)光源应具有高度的可靠性
6)省电, 且体积小、 重量轻
7)光源器件应便于调制, 调制速率能适应系统要求。
3.1 光 源
常用的两种光源器件, 即半导体激光器和半导体发光二极管。
发光二极管用LED:荧光
激光二极管用LD:激光
半导体发光机理
电子以原子核为中心,按不同的电子层排列在原子核周围旋转,这些特定的电子层称为能级,对半导体材料,电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1,能量高的能带称为导带E2,E2和E1之间的能量差称为禁带,电子不可能占据禁带。
一、半导体发光机理
半导体发光机理
(a) 自发辐射(点击动画)
hf12
初态
3.1 光源
自发辐射是发光二极管的理论基础
hf12
初态
(b) 受激吸收(点击动画)
3.1 光源
受激吸收是光电检测器的基础
hf12
初态
(c) 受激辐射(点击动画)
受激辐射是半导体激光器的基础
半导体发光机理
半导体发光机理
1)外来光子能量等于跃迁的能级之差hν=E2-E1
2)受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向、传播方向度相同,称它们为全同光子。
3)过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子,相叠加的结果使光增强,使入射光得到放大。
受激辐射与受激吸收的特点:
受激辐射是半导体激光器发光的基础。
粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。
二、半导体激光器(LD)
1、激光器的作用
激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件,从它发出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度,便于人们控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。
2. 激光器的基本结构
激光器的基本结构如图3-1所示,它是由三部分组成的,即:工作物质、谐振腔(半反镜和全反镜)和泵浦源(激励源--电源)。
图3-1 半导体激光器结构
激活物质
使工作物质处于粒子数反转分布状态
完成频率选择及反馈作用
(1)工作物质
要使受激辐射过程成为主导过程,必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。
(2)泵浦源
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源
N2N1 , 受激辐射受激吸收 ,从而有光的放大作用。
工作物质已被激活,成为激活物质或称增益物质。
(3)光学谐振腔
提供必要的反馈以及进行频率选择,光学谐振腔是由两个反射镜组成,其一是全反(M1)的,另一个是部分透过(M2)的。
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图3-2谐振腔
谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射,多次反复地通过激活介质,使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大,因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。
全反射镜
部分反射镜
激光输出
3、 半导体激光器
用半导体材料作为工作物质的激光器, 称为半导体激光器(LD)。
常用的有F - P腔(法不里 - 泊罗腔)激光器和分布反馈型激光器(DFB)。
下面介绍F - P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器。
1) 同质结砷化镓半导体激光器
在光纤通信中, F - P腔激光器采用的工作物质(半导体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。 如图3 - 3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。
图 3 – 3 同质结砷化镓半导体激光器
同质结砷化镓半导体激光器结构简单, 由PN结发光; 其阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大; 在室温下工作发热严重, 无法做到连续的激光输出; 室温下只能工作在脉冲状态, 且脉冲的重复频率不高, 约为几十千赫兹
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