光纤通信第二章.pptx

第1页/共77页 一.基础知识1.定义 价带Ev：与原子最外层轨道的价电子对应的能带。 导带Ec：价带以上的能带，没有电子。热或光的激发，价带中的电子得到能量而越迁到价带以上的能带，电子参与导电 禁带Eg：导带与价带之间的能级，不能被电子占据的区域。 Eg=Ec-Ev第2页/共77页 1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生三种基本物理过程: (1)受激吸收 (2)自发辐射 (3)受激辐射第3页/共77页1 受激吸收入射光子的能量普朗克常数h＝6.625×10-34(J·s)光检测器第4页/共77页 2自发辐射v：辐射光子的频率发光二极管Light Emitting Diode第5页/共77页3受激辐射特点： 受激辐射光子与感应光子是全同光子：频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对感应入射光的放大过程。 激光器（Laser Diode）第6页/共77页E2E2E2E1E1E1入射的光子哪里来？自发辐射的光子PDLEDLD辐射、吸收吸收辐射无光输出辐射吸收 光放大实现光放大必须是辐射占主导地位第7页/共77页如何产生光放大？粒子数反转分布 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) 的粒子数分别为 N1 和 N2。热平衡条件下，粒子数分布满足 ，为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。所以在这种状态下，总是 N1 N2。第8页/共77页产生光放大要求如何实现粒子数反转分布的状态呢?需要外界能源泵浦，即外加正向电压第9页/共77页 二、半导体发光机理1、本征半导体的能带分布本征半导体：没有任何外来杂志和晶格缺陷的理想半导体费米能级：绝对零度是电子所具有的最大能量要使半导体产生激光引入P.N型半导体导带 费米能级Efc价带P-N结处于粒子数反转第10页/共77页+4+42. P、N型半导体（1）N型半导体：向本征半导体掺杂质元素（五价元素，P，AS。。），提供电子。即电子多，空穴少（2）P型半导体：加三价元素，提供空穴。即空穴多，电子少第11页/共77页1P、N半导体能带图没有统一的费米能级第12页/共77页2重掺杂下P-N结的能带图没有形成结的费米能级？扩散：内建电场：内建电场电场的作用：第13页/共77页3P-N结正向加压后的能带图粒子数反转区域。称为”有源区”正向偏压消弱的内建电场，空间电荷区变小。实现粒子数反转第14页/共77页2.1.2 激光激射条件实现粒子数反转分布（辐射有受激辐射、自发辐射）辐射吸收受激辐射自发辐射相干光占主导地位，为激光自发辐射受激辐射非相干光占主导地位，普通光1.激射的条件： 粒子数反转分布 稳定的激光振荡第15页/共77页2.半导体激光器的发射波长 第16页/共77页2.1.3 结构理论1．半导体激光器的通用结构（1）有源区 （2）光反馈装置（3）频率选择元件（4）光束的方向选 择元件（5）光波导 第17页/共77页LD功能组成与模式输出的关系 第18页/共77页2.有源区的典型结构同质结单异质结双异质结量子阱第19页/共77页 1同质结半导体激光器 PN结是同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小。缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。第20页/共77页n折DDnn~5%~5%射率P光 2 双异质结半导体激光器不同带隙的材料限制载流子不同折射率的材料限制光波DH激光器工作原理第21页/共77页 3. 法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜与反射率为90%~95%（R1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，F-P)谐振腔。第22页/共77页要产生激光振荡还要满足： 阈值条件 相位条件第23页/共77页（1）阈值条件激光振荡需要满足的阈值条件为 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2 1 为两个反射镜的反射率。第24页/共77页（2）相位条件 只有满足相位条件的波长才会被加强第25页/共77页（2）相位条件 纵模的谐振相位条件为： q ：模数 λ：波长 n ：介质折射率谐振腔的长度L等于半波长的整数倍q :或第26页/共77页（2）相位条件 第27页/共77页F-P腔的纵模起振特性第28页/共77页 4 布喇格（Bragg）反射器分为两种类型：分布反馈式和耦合腔式分布反馈式半导体激光器是一种可以动态控制的单纵模激光器，分为：1、DFB分布反馈激光器2、DBR分布布喇格