半导体激光器原理及在光纤通信中的应用

1、半导体激光器的工作原理 及在光纤通信中的应用 小组人员 1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼 （T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一 台红宝石激光器，获得了世界上第一束激 光，波长为694.3纳米。 红宝石激光器红宝石激光器 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ） 2、按工作方 式分类 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放 大或振荡发射的器件。 激光器的种类： 1、按工作物质 分类 固体激光器（如红宝石Al2O3） 液体激光器（如某些染料） 气体激光器（如He-Ne、CO2） 半导体激光器（如砷化镓 GaAs） 自由电子激光器

2、 激光器激光器 半导体激光器半导体激光器 （Laser Diode) 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。 光受激辐射、发出激光必须具备三 个要素： n 激活介质经受激后能实现能级 之间的跃迁； n 能使激活介质产生粒子数反转 的泵浦装置； n 放置激活介质的谐振腔，提供 光反馈并进行放大，发出激光。 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 h E2 E1 E2 E1 受激辐射：受激辐射：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

3、为受激辐射。 光子的特点：相干光光子的特点：相干光 产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带 正常分布正常分布反转分布反转分布 产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 光光 增增 益益 E EC C E EV V 产生激光的必要条件三：有光学谐振腔产生激光的必要条件三：有光学谐振腔 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 请看半导体激光器产生激光原理动画演示 半导体激光器基本结构半导体

4、激光器基本结构 1）、同质结半导体激光器 正向电压V时形成的双简并能带结构 PN能带 PNPN结结LDLD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作 2）、异质结半导体激光器 为了获得高势垒为了获得高势垒, ,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。 同质结、异质结结构示意图 电信号输 入 调制光源 光放大 器 光检测 器 信号恢 复 电信号输 出 光发射机 尾纤 连接器 光纤 光纤接头 盒 光耦合器 其它设备 光接收机 光纤接头 盒 连接器 再生 中继器 尾纤 光纤 光纤 光纤通信原理光纤通信原理 光纤通信是用光作为信息的载体

5、，以光纤作为传输介质的一种通信方式。 图：光纤通信系统的构成 光纤通信的基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。 光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号 送入光纤的传输装置组成，其中光源是其核心部件，由半导体发光二 极管LED（Light Emission Diode）或者激光二极管LD（Laser Diode） 构成。 LDLD在光纤通信中的应用在光纤通信中的应用 低能带 高能带 EC3 EV2 h EC2 EC1 EV3 EV1 h输入光 h 输出光 图：光的受激发射（激光二极管） 图：光发射模块实物图 光纤放大器光纤放大器 光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光

6、纤的衰减特 性而减弱，从而使传输距离受到限制。为了使信号传送的距离更 大，就必须增强光信号。光放大器起着对光波放大的作用，用于 弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减致使的光功率减弱。大 功率LD的重要应用就是作为光纤放大器的泵浦光源。 光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的， 工作原理如图： 隔离器 输入光 激活介质 泵浦源 隔离器 输出光 图：光放大器的原理 光纤通信为什么选用光纤通信为什么选用LD？ n比较理想的光源。 n发出的光：激光，是一种相干光。 n发光原理：受激辐射。 n优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸 与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。 n实用性：适

7、用于高效率、大容量的光纤通信系统。 I F (mA) P (mW) 图：LD外形图和输出特性 LD在光纤通信中的作用在光纤通信中的作用 1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导 体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模 集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着 超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发 展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、 光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光 计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途。半导体激光器 的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是 当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重 要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了 重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激 光器的出现，就没有当今的光通信。 LD在其他方面的应