Optical fiber communIc 第五章光纤通信中的光源 12021/2/19 第一节激光产生的基本原理 第二节半导体激光器的基本概念 第三节异质结半导体激光器的工作原理 第四节半导体激光器的工作特性
1 - 1 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 第五章 光纤通信中的光源 ▪ 第一节 激光产生的基本原理 ▪ 第二节 半导体激光器的基本概念 ▪ 第三节 异质结半导体激光器的工作原理 ▪ 第四节 半导体激光器的工作特性
Optical fiber communication 22021/2/19 1光源的作用是将电信号转换成光信号。 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。 优点: (1)发射浪长与光纤的低损耗或低色散浪长相一致; (2)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 (3)谱线宽度可以做的较窄,以减少光纤中的色散的影响; (4)体积小重量轻使用寿命长,与光纤耦合效率高调制简便
1-2 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 1. 光源的作用是将电信号转换成光信号。 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。 优点： (1)发射波长与光纤的低损耗或低色散波长相一致； (2)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； (3)谱线宽度可以做的较窄,以减少光纤中的色散的影响； (4)体积小,重量轻,使用寿命长,与光纤耦合效率高,调制简便
0m0算一节激光产生的基本原理 32021/2/19 原子的能级结构 A能级 B, Boltzman distribution N2g2-(E2-E1)/k07 各能级上的相对粒子数分布 g1g2简并度,令g2=gl
1-3 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 一.原子的能级结构 A.能级 B.Boltzman Distribution 1, 2 , 2 1 ( 2 1)/ 1 2 1 N2 0 g g g g E E k T e g g N = − − = 简并度 令 各能级上的相对粒子数 分布 第一节 激光产生的基本原理
Optical fiber communicatio 一光的和聊 A自发辐射 1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级 跃迁而发光。 ∧ 自发辐射烤 E E 二=E2E1 图孓2二能级原子能级图
1-4 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 二 光的辐射和吸收 A自发辐射 1.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级 跃迁而发光
Optical fiber communication 52021/2/19 2自发辐射几率A21单位时间内N2个高能态的原子中发生自发跃 迁的原子数与N2的比值自发辐射 Einstain系数。 21 dt 2 (dN2)s:由于自发跃迁引起的有E2向E1跃迁的原子数 3能级的平均寿命τ=1/A21 4自发辐射的特点: (1)各个处于高能级的粒子都是自发地独立的进行跃迁; (2)辐射光子的频率不同自发辐射的频率范围很宽; (3)发射方向和相位也不同; 4相干射不同颗疼相位偏振方向简度
1-5 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 2.自发辐射几率A21:单位时间内N2个高能态的原子中发生自发跃 迁的原子数与N2的比值自发辐射Einstain系数。 (dN21)sp:由于自发跃迁引起的有E2向E1跃迁的原子数 3.能级的平均寿命=1/A21 4.自发辐射的特点: (1) 各个处于高能级的粒子都是自发地.独立的进行跃迁； (2) 辐射光子的频率不同,自发辐射的频率范围很宽； (3) 发射方向和相位也不同； (4) 非相干光发射:不同频率,相位,偏振方向,简并度。 2 2 1 2 1 1 dt N dN A s p =
Optical fiber communication -62021/2/19 B.受激吸收 E E 原子吸收入射光子 入射光M=E2-E1 并跃迁至高能圾 (b) 处于低能级的E1的一个原子在频率为f的辐射场的作用下吸收 个能量为hf的光子并受激的向E2能级跃迁hf=E2E1 2受激吸收几率: 12 dt
1-6 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications B. 受激吸收 1 . 处于低能级的E1的一个原子,在频率为f的辐射场的作用下,吸收一 个能量为hf的光子,并受激的向E2能级跃迁hf=E2 -E1。 2 受激吸收几率: N1 1 ) 12 12 ( dt st dN r = 1 12 12 1 dt N dN r st =
Optical fiber communication 仗与原子性质有关而且还与外界辐射场的能量密度p(单位 体积內,频率处于f附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量)有 关 B 2 B12受激吸收跃迁 Einstain系数它只与原子性质有关。 C.受激辐射 入射光A=Ez-E1 入射光h=E2E1 E 受激辐射光h=E2-E1 〔r) 处于高能级E2的一个原子在频率为f=(E2-E1)/h的光子激发下 受激的向E1能级跃迁同时放出一个能量为hf=E2-E1的光子 2受激辐射跃迁几率
1-7 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications r12不仅与原子性质有关,而且还与外界辐射场的能量密度f（单位 体积内，频率处于f附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量）有 关： B12受激吸收跃迁Einstain系数.它只与原子性质有关。 C. 受激辐射 1. 处于高能级E2的一个原子,在频率为f=(E2 -E1 )/h的光子激发下, 受激的向E1能级跃迁,同时,放出一个能量为hf=E2-E1的光子 2.受激辐射跃迁几率 f r B 12 12 =
Optical fiber communication 82021/2/19 aNvil dt 是受激辐射跃迁的 Einstain系数 三激光产生的条件 A (1) Amplifying Medium (2) Pumping Source (oPtical Feedback(Cavity) B粒子数反转 同值条件增益=损耗 0 n 2L ) RR2 小信号增益 a损耗系数
1 - 8 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 是受激辐射跃迁的Einstain系数 三 .激光产生的条件 A .(1) Amplifying Medium (2) Pumping Source (3) Optical Feedback (Cavity) B.粒子数反转 阈值条件 :增益 =损耗 2 21 21 1 dt N dN r st = f B21 = r21 / 损耗系数 小信号增益 i 1 2 0 1 ln 21 = = + L R R g i
Optical fiber communication 92021/2/19 C.相位平衡条件激光器必须工作在谐振腔的工作模式 光腔的驻浪条件在腔内形成驻浪 之Z之Z 总结 lasers 1.Optical gain feedback 2. Spontaneous and stimulated emission 3. Threshold, discrete spectrum , narrow radiation pattern
1-9 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications C. 相位平衡条件:激光器必须工作在谐振腔的工作模式 上。 光腔的驻波条件:在腔内形成驻波。 n L c f q q n L q L q q q 2 2 ' 2 L ' 2 = = = = 总结:lasers 1.Optical gain + feedback 2. Spontaneous and stimulated emission 3. Threshold, discrete spectrum ,narrow radiation pattern