掺铒光纤放大器的应用课件

第3章通信光器件3.1光源3.2光电检测器33光放大器34无源光器件第3章通信光器件目标掌握光与物质的三种作用方式解激光器的结构掌握激光器的原理解激光器的性能●了解发光二极管的原理、结构和性能掌握激光器与发光二极管性能上的异同●了解光电检测起的结构掌握光电检测器的原理和应用●了解光放大器的知识●掌握掺铒光纤放大器的原理、组成和应用解光无源器件的种类●掌握常用光无源器件的性能3.1光源◆光源可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件,它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本节主要对半导体激光二极管(LD)和半导体发光二极管(LED)两种光源的结构、工作原理以及相关的特性进行介绍,并给出了它们的技术指标。3.1.1与激光器相关的几个物理概念光子的概念爱因斯坦的光量子学说认为,光是由能量为h的光量子组成的,其中h=6.628×10Js(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。2.原子能级半导体晶体,原子核外的电子运动轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程度的重叠,晶体中的能级如图3所示,电子已经不属于某个原子所有,它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动,也就是说,原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带,次外层的能带称为价带,它们之间的间隔内没有电子存在,这个区间称为禁带。图3-1晶体中的能级共有化态-能带原子能级原子轨道导带禁带价带

3.光与物质的三种作用形式与物质的相互作用归结为光与原子的相互作用将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。1)在正常状态下,电子通常处于低能级E1,在入射光的作用下,电子吸收光量后跃迁到高能级光电流,这种跃迁称为受激吸收。这就是光电检测器的工作原理2)处于高能级E2上的电子是不稳定的,即使没有外力也会自发地跃迁至低能级E1释放的能量转换为光子辐射这种跃迁称为自发辐射。这就是发光二极管的工作原理。自发辐射是非相干光3)在高能级E2上的电子,受到能量为hf的外来光子激发时,被迫跃迁到低能级E1穴复合,同时释放激发光同频率、同相位、同方向的光子,这种跃迁称为受激辐射。这就是激光器的工作原理。受激辐射是相干光。能级和电子跃迁如图3-2所示图3-2能级和电子跃迁ErEEz→hf=E2-E1→hf=E2-E1EEEEEhf=E2-Erhf=E2-ErEE1E1(a)受激吸收(b)自发辐射(c)受激辐射

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N1,高能级上的粒子密度为N2,在正常状态下,N1>N2,总是受激吸收大于受激辐射。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N2>N1(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

5.直接带隙和间接带隙半导体在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守謌辇尊孫芬殼宣饕審蠃希問接寤臊鏊蔤的孫搽;直接带隙材料中,导带最小能级和价带最大能级迁的,发光效率高如图3-3a所示;间接带隙材料中,要完成电子的数话3、5东其宾着段需￥棘动能