激光振荡和光学谐振腔课件

第彐章通信用光器件第3章通信用光器件光源光检测器◎光无源器件○小结第彐章通信用光器件1第彐章通信用光器件3.1光源311半导体激光器工作原理和基本结构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。激光,其英文LASERI就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开第彐章通信用光器件2第彐章通信用光器件1.受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为基态,能量比基态大的能级E(i2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射第彐章通信用光器件3第彐章通信用光器件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E和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N和N2。当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布NE,-E1-exp(3.2)N人T式中,k=1.381×10-23J/K,为玻尔兹曼常数,T为热力学温度由于(E2E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N和N2,且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2,即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时,光强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。第彐章通信用光器件4第彐章通信用光器件如果N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。例:以氢原子为例,它的第一激发态能量为E2=3.40eV,基态能量为E1=136eV,则E2E1=10.20eV令g2=g1=1,在室温T=300K时(kT近似为0.026eV),可以计算出0.026≈10第彐章通信用光器件5第彐章通信用光器件2PN结的能带和电子分布半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体在这种晶体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。晶体的能级谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同分裂成若干组,每组中能级彼此靠近,组成有一定宽度的带,称为能带。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带(低能带),而价带上面临近的空带(自由电子占据的能带)称为导带(高能带)。二者之间的区域称为禁带。第彐章通信用光器件6第彐章通信用光器件3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件,但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中,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基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成,并被称为法布里-珀罗(FP,FabryPeroυ谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布,可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射,沿轴线方向传播的光被放大,沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈,不断得到放大,方向性得到不断改善,结果增益大幅度得到提高第彐章通信用光器件7第彐章通信用光器件另一方面,由于谐振腔内激活物质存在吸收,反射镜存在透射和散射,因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足振幅平衡条件)时,在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡,其阈值条件为r=a+In2LRR(3.4式中,洫为阈值增益系数,∝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。第彐章通信用光器件8第彐章通信用光器件激光振荡的相位条件为and或λ(3.5)式中,λ为激光在真空中传播的波长,n为激活物质的折射率,λ加为激光在介质中传播的波长,φ=-1,2,3,…称为纵模模数。式(3.5)意味着,L应为介质中激光传播波长的12的整数倍。第彐章通信用光器件9第彐章通信用光器件4.半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样,基本结构如图3.5示出的双异质结(DH平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成,不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~03um的窄禁带P型半导体,称为有源层;两侧分别为宽禁带的P型和N型半导体,称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上,前后两个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。第彐章通信用光器件10激光振荡和光学谐振腔课件11激光振荡和光学谐振腔课件12激光振荡和光学谐振腔课件13激光振荡和光学谐振腔课件14激光振荡和光学谐振腔课件15激光振荡和光学谐振腔课件16激光振荡和光学谐振腔课件17激光振荡和光学谐振腔课件18激光振荡和光学谐振腔课件19激光振荡和光学谐振腔课件20激光振荡和光学谐振腔课件21激光振荡和光学谐振腔课件22激光振荡和光学谐振腔课件23激光振荡和光学谐振腔课件24激光振荡和光学谐振腔课件25激光振荡和光学谐振腔课件26激光振荡和光学谐振腔课件27激光振荡和光学谐振腔课件28激光振荡和光学谐振腔课件29激光振荡和光学谐振腔课件30激光振荡和光学谐振腔课件31激光振荡和光学谐振腔课件32激光振荡和光学谐振腔课件33激光振荡和光学谐振腔课件34激光振荡和光学谐振腔课件35激光振荡和光学谐振腔课件36激光振荡和光学谐振腔课件37激光振荡和光学谐振腔课件38激光振荡和光学谐振腔课件39激光振荡和光学谐振腔课件40激光振荡和光学谐振腔课件41激光振荡和光学谐振腔课件42激光振荡和光学谐振腔课件43激光振荡和光学谐振腔课件44激光振荡和光学谐振腔课件45激光振荡和光学谐振腔课件46激光振荡和光学谐振腔课件47激光振荡和光学谐振腔课件48第彐章通信用光器件第3章通信用光器件光源光检测器◎光无源器件○小结第彐章通信用光器件49第彐章通信用光器件3.1光源311半导体激光器工作原理和基本结构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。激光,其英文LASERI就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开第彐章通信用光器件50第彐章通信用光器件1.受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为基态,能量比基态大的能级E(i2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射第彐章通信用光器件51第彐章通信用光器件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E和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N和N2。当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布NE,-E1-exp(3.2)N人T式中,k=1.381×10-23J/K,为玻尔兹曼常数,T为热力学温度由于(E2E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N和N2,且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2,即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时,光强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。第彐章通信用光器件52第彐章通信用光器件如果N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。例:以氢原子为例,它的第一激发态能量为E2=3.40eV,基态能量为E1=136eV,则E2E1=10.20eV令g2=g1=1,在室温T=300K时(kT近似为0.026eV),可以计算出0.026≈10第彐章通信用光器件53第彐章通信用光器件2PN结的能带和电子分布半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体在这种晶体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。晶体的能级谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同分裂成若干组,每组中能级彼此靠近,组成有一定宽度的带,称为能带。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带(低能带),而价带上面临近的空带(自由电子占据的能带)称为导带(高能带)。二者之间的区域称为禁带。第彐章通信用光器件54第彐章通信用光器件3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件,但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中,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基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成,并被称为法布里-珀罗(FP,FabryPeroυ谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布,可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射,沿轴线方向传播的光被放大,沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈,不断得到放大,方向性得到不断改善,结果增益大幅度得到提高第彐章通信用光器件55第彐章通信用光器件另一方面,由于谐振腔内激活物质存在吸收,反射镜存在透射和散射,因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足振幅平衡条件)时,在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡,其阈值条件为r=a+In2LRR(3.4式中,洫为阈值增益系数,∝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。第彐章通信用光器件56第彐章通信用光器件激光振荡的相位条件为and或λ(3.5)式中,λ为激光在真空中传播的波长,n为激活物质的折射率,λ加为激光在介质中传播的波长,φ=-1,2,3,…称为纵模模数。式(3.5)意味着,L应为介质中激光传播波长的12的整数倍。第彐章通信用光器件57第彐章通信用光器件4.半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样,基本结构如图3.5示出的双异质结(DH平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成,不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~03um的窄禁带P型半导体,称为有源层;两侧分别为宽禁带的P型和N型半导体,称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上,前后两个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。第彐章通信用光器件58激光振荡和光学谐振腔课件59激光振荡和光学谐振腔课件60激光振荡和光学谐振腔课件61激光振荡和光学谐振腔课件62激光振荡和光学谐振腔课件63激光振荡和光学谐振腔课件64激光振荡和光学谐振腔课件65激光振荡和光学谐振腔课件66激光振荡和光学谐振腔课件67激光振荡和光学谐振腔课件68激光振荡和光学谐振腔课件69激光振荡和光学谐振腔课件70激光振荡和光学谐振腔课件71激光振荡和光学谐振腔课件72激光振荡和光学谐振腔课件73激光振荡和光学谐振腔课件74激光振荡和光学谐振腔课件75激光振荡和光学谐振腔课件76激光振荡和光学谐振腔课件77激光振荡和光学谐振腔课件78激光振荡和光学谐振腔课件79激光振荡和光