章通信用光器件EDFA

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光纤通信,第,3,章 通信用光器件,10/9/2024,1,本章内容、重点和难点,本章内容,光源：半导体激光器和发光二极管。,光电检测器：,PIN,和,APD,光电二极管。,无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。,本章重点,激光器的工作原理。,光源和光电检测器工作原理及其工作特性。,无源光器件的功能及主要性能。,本章难点,发光机理。,第,3,章 通信用光器件,（教材第,52,页）,10/9/2024,2,学习本章目的和要求,了解半导体激光器的物理基础。,掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。,熟悉光源的驱动电路工作原理。,掌握光电检测器的工作原理及特性。,掌握无源光器件的功能及主要性能。,第,3,章 通信用光器件,（教材第,52,页）,10/9/2024,3,3.1,光源,光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。,光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。,半导体激光器（,LD,）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。,发光二极管（,LED,）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,（教材第,53,页）,10/9/2024,4,3.1.1,激光器的工作原理,半导体激光器：,是向半导体,P-N,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输出激光。,1,激光器的物理基础,（,1,）光子的概念,光量子学说认为，光是由能量为,hf,的光量子组成的，其中,h,=6.62810,34,Js,（焦耳,秒），称为普朗克常数，,f,是光波频率，人们将这些光量子称为光子。,当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,（教材第,53,页）,10/9/2024,5,3.1.1,激光器的工作原理,（,2,）原子能级,物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。,最低的能级,E,1,称为基态，能量比基态大的所有其他能级,E,i,（,i,=2,，,3,，,4,，,）都称为激发态。当电子从较高能级,E,2,跃迁至较低能级,E,1,时，其能级间的能量差为,E,=,E,2,E,1,，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率,f,12,之间有以下关系式,式中，,h,为普朗克常数，,f,12,为吸收或辐射的光子频率。,当处于低能级,E,1,的电子受到一个光子能量,E,=,hf,12,的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级,E,2,上去。,光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。,（教材第,53,页）,10/9/2024,6,3.1.1,激光器的工作原理,（,3,）光与物质的三种作用形式,光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图,3-1,所示。,图,3-1,能级和电子跃迁,（教材第,54,页）,10/9/2024,7,3.1.1,激光器的工作原理,在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）,E,1,，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）,E,2,，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收,光电检测器。,处于高能级,E,2,上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级,E,1,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,发光二极管。,在高能级,E,2,上的电子，受到能量为,hf,12,的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级,E,1,上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射,激光器。,注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。,（教材第,54,页）,10/9/2024,8,3.1.1,激光器的工作原理,（,4,）粒子数反转分布与光的放大,受激辐射是产生激光的关键。,如设低能级上的粒子密度为,N,1,，高能级上的粒子密度为,N,2,，在正常状态下，,N,1,N,2,，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。,要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使,N,2,N,1,（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。,粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,（教材第,54,页）,10/9/2024,9,3.1.1,激光器的工作原理,2,激光器的工作原理,激光器包括以下,3,个部分：,必须有产生激光的工作物质（激活物质）；,必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；,必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,（,1,）产生激光的工作物质,即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。,（教材第,55,页）,10/9/2024,10,3.1.1,激光器的工作原理,（,2,）泵浦源,使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。,物质在泵浦源的作用下，使得,N,2,N,1,，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。,（,3,）光学谐振腔,激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。,激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。,（教材第,55,页）,10/9/2024,11,3.1.1,激光器的工作原理,图,3-2,光学谐振腔的结构,光学谐振腔的结构,在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为,r,1,和,r,2,的平行反射镜,M1,和,M2,，就构成了最简单的光学谐振腔。,如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图,3-2,所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。,（教材第,55,页）,10/9/2024,12,3.1.1,激光器的工作原理,谐振腔产生激光振荡过程,如图,3-3,所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。,当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。,当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是,2,的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜,M,2,透射出来，形成一束笔直的激光。,当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。,（教材第,56,页）,10/9/2024,13,3.1.1,激光器的工作原理,图,3-3,激光器示意图,（教材第,56,页）,10/9/2024,14,3.1.1,激光器的工作原理,光学谐振腔的谐振条件与谐振频率,设谐振腔的长度为,L,，则谐振腔的谐振条件为,（,3-5,）,或,（,3-7,）,式中，,c,为光在真空中的速度，,为激光波长，,n,为激活物质的折射率，,L,为光学谐振腔的腔长，,q,=1,，,2,，,3,称为纵模模数。,谐振腔只对满足式（,3-5,）的光波波长或式（,3-7,）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。,（教材第,57,页）,10/9/2024,15,3.1.1,激光器的工作原理,起振的阈值条件,激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以,G,th,表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是,（,3-2,）,为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，,L,为光学谐振腔的腔长，,r,1,，,r,2,为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。,（教材第,56,页）,10/9/2024,16,3.1.2,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,），对,LD,的要求如下。,光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即,0.85m,、,1.31m,和,1.55m,）。,能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前,LD,的尾纤输出功率可达,500W,2mW,；,LED,的尾纤输出功率可达,10W,左右。,与光纤耦合效率高。,光源的谱线宽度要窄。较好的,LD,的谱线宽度可达到,0.1nm,。,寿命长，工作稳定。,（教材第,57,页）,10/9/2024,17,3.1.2,半导体激光器,1,半导体激光器的基本结构和工作原理,有两种方式构成的激光器：,F-P,腔激光器和分布反馈型（,DFB,）激光器。,F-P,腔激光器从结构上可分为,3,种，如图,3-4,所示。,图,3-4,半导体激光器的结构示意图,（教材第,58,页）,10/9/2024,18,3.1.2,半导体激光器,（,1,）同质结半导体激光器。,其核心部分是一个,P-N,结，由结区发出激光。,缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。,（,2,）异质半导体激光器,异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。,异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。,特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。,目前，光纤通信用的激光器大多采用如图,3-5,所示的铟镓砷磷（,InGaAsP,）双异质结条形激光器。,（教材第,58,页）,10/9/2024,19,3.1.2,半导体激光器,图,3-4,InGaAsP,双异质结条形激光器的基本结构,n,InGaAsP,是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层,n,InP,是衬底，顶层,P+,InGaAsP,是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。,（教材第,58,页）,10/9/2024,20,3.1.2,半导体激光器,（,2,）工作原理,用半导体材料做成的激光器，当激光器的,P-N,结上外加的正向偏压足够大时，将使得,P-N,结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。,被放大的光在由,P-N,结构成的,F-P,光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。,（教材第,58,页）,10/9/2024,21,3.1.2,半导体激光器,2,半导体激光器的工作特性,（,1,）发射波长,半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度,E,g(eV,),，由式（,3-1,）得,hf,=,E,g,（,3-8,）,式中，,f,(Hz),和,(m,),分别为发射光的频率和波长，,c=310,8,m/s,，,h,=6.62810,34,Js,，,leV,=1.6010,19,J,为电子伏特，代入式（,3-5,）得,(,m,),（,3-9,）,由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。,（教材第,58,页）,10/9/2024,22,3.1.2,半导体激光器,（,2,）阈值特性,对于,LD,，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用,I,th,表示。如图,3-5,所示。阈值电流越小越好。,图,3-5,典型半导体激光器的输出特性曲线,（教材第,59,页）,10/9/2024