光纤通信第二章1-光源

1、北京邮电大学顾畹仪1北京邮电大学顾畹仪2北京邮电大学顾畹仪31、光的吸收和放大光的吸收和放大1）能级和能带）能级和能带2）能级的光跃迁）能级的光跃迁3）光的吸收和放大）光的吸收和放大2、半导体激光器中增益区的形成、半导体激光器中增益区的形成1）晶体中载流子的统计分布）晶体中载流子的统计分布2） PN结的能带和增益区的形成结的能带和增益区的形成北京邮电大学顾畹仪4北京邮电大学顾畹仪5北京邮电大学顾畹仪6Rsp = rspN2 = N2/ sp 无外界作用，自发光跃迁；无外界作用，自发光跃迁； 独立、自发发射，非相干光；独立、自发发射，非相干光；北京邮电大学顾畹仪7 光光子与感应光子是相干的，为子

2、与感应光子是相干的，为全同光子；全同光子；光得到放大。光得到放大。 3233( ), ( )8steststspCRW NWBn h 北京邮电大学顾畹仪81stastRW N北京邮电大学顾畹仪9（3）光的吸收与放大）光的吸收与放大设光波频率为设光波频率为 ，光强为光强为I ，经过原子煤质经过原子煤质 , 发出光能发出光能: , 吸收光能：吸收光能：单位体积中的净功率：单位体积中的净功率：2stestRW N1stastRW N21ststW N hW N h21()stNN W h北京邮电大学顾畹仪10InCNNdzdIhnCBWncIhWNNdzdIspspstst22212333128)(

3、)(8)()()()(是能量密度北京邮电大学顾畹仪11spznCNNeIzI22212)(8)()()0()(2121() /21, () 01EEK kNNNeN 吸收媒质吸收媒质 热平衡状态21, ( ) 0NN 放大媒质放大媒质 粒子数翻转分布，布居翻转 对应激光放大状态北京邮电大学顾畹仪122、半导体激光器中增益区的形成、半导体激光器中增益区的形成1) 晶体中载流子的统计分布：晶体中载流子的统计分布：()/1( )1fE EkKf Ee北京邮电大学顾畹仪13北京邮电大学顾畹仪14禁带禁带导带导带价带价带EfEfEfEfVEfC(a) 本征半导体(a) 本征半导体(d) 双兼并型半导体(

4、d) 双兼并型半导体(b) 兼并型(b) 兼并型P型半导体型半导体(c) 兼并型(c) 兼并型N型半导体型半导体北京邮电大学顾畹仪152） PN结的能带和增益区的形成结的能带和增益区的形成PN结结北京邮电大学顾畹仪16EPN结结的的能能带带北京邮电大学顾畹仪17加正向电压(e0V De0VEg)PN结的能带图对光子能量满足： Eg h e0V 有光增益北京邮电大学顾畹仪18北京邮电大学顾畹仪19北京邮电大学顾畹仪201.24 ( m)= ()Eg eV ghE北京邮电大学顾畹仪21()21thLeR22212( )()( )8spCNNgn 北京邮电大学顾畹仪22北京邮电大学顾畹仪23（2）F

5、-P腔激光器的分类腔激光器的分类v按制作激光器的材料分类按制作激光器的材料分类: 短波长(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m1.55 m) ，采用InGaAsP/InPv按垂直于按垂直于PN结方向的结构分类结方向的结构分类： 同质结 单异质结 双异质结 双异质结的作用双异质结的作用: 带隙差对载流子有限制作用; 折射率差对光子有限制作用 北京邮电大学顾畹仪24北京邮电大学顾畹仪25v按平行于按平行于PN结方向的结构分类结方向的结构分类 宽面宽面LD （没有导向）（没有导向） 条形条形LD：台面条形台面条形 平面条形平面条形 （SiO2条形，质子轰击条形，条形，质

6、子轰击条形， Zn扩散条形等）（增益导向）扩散条形等）（增益导向） 隐埋条形隐埋条形 （折射率导向）（折射率导向）北京邮电大学顾畹仪26 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构；只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上(10 m左右)有电流通过的结构是条形结构。 条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性。但受条宽限制不宜作大功率输出。北京邮电大学顾畹仪27北京邮电大学顾畹仪282、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至

7、德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点：性能特点： 阈值电流低,输出功率高 谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高北京邮电大学顾畹仪29北京邮电大学顾畹仪30北京邮电大学顾畹仪31 布拉格反射条件：布拉格反射条件： n(D + B) = m nD(1 + sin ) = m 2 nD= m m=1,2,3,布拉格反射原理布拉格反射原理北京邮电大学顾畹仪32北京邮电大学顾畹仪33v 单纵模振荡单纵模振荡v 线性度好线性度好v 线宽窄线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。选择性大为提高。v 稳定性好稳定性好：因为光栅有助于锁定

8、在给定的波长上，使：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。其温度漂移很小。v 动态谱特性好动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动：高速调制下也保持单模振荡，虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P腔腔LD展宽小得多。展宽小得多。北京邮电大学顾畹仪34 1. 1. 阈值特性阈值特性 2. 2. 效率效率 3. 3. 温度特性温度特性北京邮电大学顾畹仪350/exexexphpI eIV2expjspV II RrinrrRRR北京邮电大学顾畹仪36000()/()/()/()exthexDththDexthpphphIIeIIehpIIe北京邮电大学顾畹仪37随温度升高：随温度升高： 阈值电流增加阈值电流增加 外微分量子效率下降外微分量子效率下降 峰值波长向长波长方峰值波长向长波长方 向移动向移动 -0.50.51.52.53.54.55.502