光纤通信第3章教程.ppt

第三章 光源和光检测器 ;主要内容;半导体光源和光检测器优点;光辐射与光吸收 能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成； 能级所对应的能量值是离散的。 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；;光辐射与光吸收;光辐射与光吸收;光辐射与光吸收;光辐射与光吸收;光辐射与光吸收;光辐射与光吸收;能带理论——针对半导体材料 导带 禁带 价带;;PN结 费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。;PN结 当正向电压加大到某一值后， PN结里出现增益区（有源区）。 在Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转分布。 势垒降低，费米能级分裂; LD 适合于作高速长距离光纤??信系统的光源。 优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦合效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。 激光二极管LD通过受激辐射发光； LD可以发出单色性和定向性好、强度和相干性高的光;自激振荡原理 ;半导体激光器中增益区的形成 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当注入电流达到一定的阈值后，在结区形成一个粒子数反转分布的区域，价带主要由空穴占据，而导带主要由电子占据。对于光子能量满足Eg＜hv＜e0V 的光子有光放大作用，这个区域被称为有源区，半导体激光器的光激射就发生在这个区域;法布里—珀罗（F-P）谐振腔 F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成正反馈。; 实现稳定振荡必须满足的 振幅条件 相位条件 m为整数 G和F分别为基本放大器和反馈网络的正向传输函数 振幅条件 光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和衰减两大相互矛盾因素的共同作用; 一方面，在外部激励源的作用下，激光器内部形成粒子数反转的有源区，往返传输的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断增强。 另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜面的反射衰减（镜面反射率总是小于1）、工作物质的吸收和散射衰减等 当光信号往返传输一周幅度不发生变化时称为达到阈值状态。;相位条件 沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相位延迟为2π·(2nL/λ) 则发生相长干涉的条件： 2π·(2nL/λ)＝q ·2π q为整数 即： 2nL/λ＝q 又： =c/ λ 则 谐振腔的选频特性;谐振腔的选方向性 在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放大。 非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃逸出腔外。 ;激光器的模式分析 F-P腔激光器的模式类型 ;纵模的概念与性质 对于半导体激光器，当注入电流大于阈值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡的模式就称为激光器的纵模。 ;半导体激光器的模式增益谱 ;纵模数随注入电流变化 (电流增加纵模数减小） 峰值波长随温度变化 (电流增大，结温升高，禁带变窄，波长变长) 动态谱线展宽 （脉冲调制，电流变，有源区载流子浓度变，折射率变，激光器的谐振频率变，动态谱线展宽）;单纵模激光器;LD的横模; 激光器的横模决定了输出光束的空间分布。与纵模的意义不同，横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。 激光器的横模决定了激光光束的空间分布，它直接影响到器件与光纤的耦合效率 ?‖和?⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角;基本性质 1．伏安特性 ;2．工作特性---P-I特性 典型的激光器P-I曲线 －－电光转换;（1）阈值电流（Ith） 在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为阈值电流。它是一个正向电流值，用符号Ith表示 下图为利用P-I曲线求解Ith的三