光缆通信工程设计、施工与维护 教学课件 作者 程毅 任务一 认识激光器.doc

提 要 教 学 内 容 项目三 认识光端机 认识激光器 1. 光与物质的相互作用 当粒子由高能级向低能级时，将发射光子。 当粒子由低能级向高能级时，将吸收光子。 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激吸收，受激辐射。 1）自发辐射：在末受到外界激发情况下，高能级上的电子自发向低能跃迁。设：两个能级E1、E2 ， E1 E2，电子数分别为N1，N 2 E2 N2 两个能级之差：hf E2-E1 发射光子频率：f E1-E2 /h。 E1 N1 E2-E1 hf 特点：1）频率范围宽。2）是非相干光。 2）受激吸收：在光子的激发下，粒子可以吸收光子的能量从低能级跃迁到较高的能级上去。 外来光子的频率：f E1-E2 /h E2 N2 两个能级之差：E1-E2 hf 特点：（1）在外来光子刺激下。 E1 N1 （2）外来的能量要等于电子跃迁能级差 3）受激辐射：有一处于高能级E2上的粒子，当一个频率为f E1-E2 /h的光子趋近于它时，这个粒子受到光子的激发，也可能从高能级上跃迁到低能级。同时放出一个能量为hf E2-E1,频率为f E2-E1 /h的光子 两个能级之差：hf E1-E2 外来光子的频率：f E2-E1 /h　 激发出的光子频率：f E2-E1 /h 这称为粒子的能量量子化 4）什么是粒子数反转分布： 正常时，低能级的粒子数多，高能级上的粒子数少，N2＜N1。要想产生光的放大，必须使受激辐射大于受激吸收，即N2＞N1。使粒子的能态分布一反常态，使高能级上的粒子数目高于低能级上的粒子数目。 2．激光器的构成及工作原理 1）激光器的组成： 激光器：是指激光的自激振荡器 。是由光放大器、光反馈和光选频三部分组成。 光放大器：首先要得到光受激辐射大于受激吸收，使N2＞N1上的粒子。 光学谐振腔：光的选择和反馈作用。 它由两个隔开一定距离平行放置的反射镜腔的中间放置增益物质。 反射镜 部分反射镜 输出光子流 M1 r1 1 M2 r2 1 2）构成激光器的基本条件： 1 必须有激光工作物质，它具有确定能级的原子系统，可在所需要的 光波范围内辐射光子。 2 必须有激励源激活工作物质后， 其处于粒子数反转分布状态，并 使小信号增益系数大于谐振腔的平均损耗系数，从而产生光的放大作用。 3 必须有光学谐振腔，它进行频率选择及产生光反馈。 3）阈值条件和相位条件 阈值条件：将激光器能产生激光 振荡的最低限度称为阈值条件用，Gt表示 Gt α αi+ 1/2L ㏑ 1/ r1r2 相位条件：fq cq/2nL 3．半导体激光器 1）半导体激光器的特点 光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一样： 0.85um、1.31um、1.55um。 光源的谱线宜窄，可以减小光纤色散对信号传输质量的影响。0.1nm 光源与光纤的耦合效率要高，使更多的光功率进入光纤传输。500uw-2mw 调制方式简单。 响应速度要快，以满足高速率传输的需要。 能够室温连续工作。 体积小，重量轻，寿命长。 2）半导体激光器的工作原理 半导体激光器：用半导体材料作为增益物质的激光器。 1）本征半导体的能带分布： 滿带：低能带上填滿了电子叫做滿带。 价带：电子在共价鍵上相应的能带叫做价带。 导带：电子处于自由状态相应的能带叫做导带或空带。 禁带：价带和导带之间的空隙叫做禁带。 Ef费米能级在禁带中。 2 在重掺杂下，N型半导体和P型半导体的能带分布。 N型半导体：提供的电子多，EfN升高到导带中去。 P型半导体：提供的空穴多，Efp降低到价带中去。 P-N结外加正向偏压的能带分布。参阅教材图。 3 PN结外加正向偏压后的能带分布： 4 激光的产生： 半导体激光器的泵浦源是外加正向注入电流 正向电压作用下，形成正向电流 。在足够大的外加正向电流的作用下，产生了粒子数反转分布，实现了光的放大。要产生振荡，还必须使放大系数大于谐振腔的损耗系数。即要满足阈值条件和相位条件。 5 半导体激光器的分类： 1.同质结半导体激光器：由同一种物质构成的。 半导体激光器 2.异质结半导体激光器：它们的“结”是由不同的半导体材料制成的 异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器 SH ：由一个结组成。 双异质结半导体激光器 DH ：由多个结组成。 异质结 反型异质结：导电类型不同的材料构成的异质结。 同型异质结：导电类型相同的材料构成的异质结。 3）半导体激光器的工作特性 1）激光二极管与普通二极管的比较 激光二极管的核心部分也是一个PN结，但是它是一个高掺杂的PN结 激光二极管具有发光能力，发光的颜色取决于半导体材料。 激励方式：正向偏压，电流驱动。 符号：LD 2）特性 阈值特性 光谱特性 温度特性 振荡器 放