光纖通信中的光源

1、1-1Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 第五章第五章 光纖通信中的光源光纖通信中的光源 第一節(jié)第一節(jié) 激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的基本原理 第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體激光器的基本概念半導(dǎo)體激光器的基本概念 第三節(jié)第三節(jié) 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的工作原理異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的工作原理 第四節(jié)第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性1-2Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 1. 1. 光源的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。光源的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光

2、信號。2.2.光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管。優(yōu)點：優(yōu)點：(1)(1)發(fā)射波長與光纖的低損耗或低色散波長相一致；發(fā)射波長與光纖的低損耗或低色散波長相一致；(2)(2)能夠在室溫下連續(xù)工作能夠在室溫下連續(xù)工作, ,輸出功率滿足光纖通信系統(tǒng)的要求；輸出功率滿足光纖通信系統(tǒng)的要求；(3)(3)譜線寬度可以做的較窄譜線寬度可以做的較窄, ,以減少光纖中的色散的影響；以減少光纖中的色散的影響；(4)(4)體積小體積小, ,重量輕重量輕, ,使用壽命長使用壽命長, ,與光纖耦合效率高與光纖耦合效率高, ,調(diào)制簡便。調(diào)制簡便。1

3、-3Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 一一. .原子的能級結(jié)構(gòu)原子的能級結(jié)構(gòu) A.能級能級 B.Boltzman Distribution12,2, 1/ ) 12(121N20ggggTkEEeggN令簡并度分布各能級上的相對粒子數(shù)第一節(jié)第一節(jié) 激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的基本原理1-4Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 二二 光的輻射和吸收光的輻射和吸收A A自發(fā)輻射自發(fā)輻射1.1.原子在外界影響的情況下原子在外界影響的情況下, ,處在高

4、能級上的電子會自發(fā)的向低能處在高能級上的電子會自發(fā)的向低能級躍遷而發(fā)光。級躍遷而發(fā)光。1-5Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 2.2.自發(fā)輻射幾率自發(fā)輻射幾率A21:A21:單位時間內(nèi)單位時間內(nèi)N2N2個高能態(tài)的原子中發(fā)生自發(fā)躍遷個高能態(tài)的原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與的原子數(shù)與N2N2的比值自發(fā)輻射的比值自發(fā)輻射EinstainEinstain系數(shù)。系數(shù)。(dN(dN2121) )spsp: :由于自發(fā)躍遷引起的有由于自發(fā)躍遷引起的有E E2 2向向E E1 1躍遷的原子數(shù)躍遷的原子數(shù)3.3.能級的平均壽命能級的平均

5、壽命 =1/A=1/A21214.4.自發(fā)輻射的特點自發(fā)輻射的特點: : (1) (1) 各個處于高能級的粒子都是自發(fā)地各個處于高能級的粒子都是自發(fā)地. .獨立的進行躍遷；獨立的進行躍遷； (2) (2) 輻射光子的頻率不同輻射光子的頻率不同, ,自發(fā)輻射的頻率范圍很寬；自發(fā)輻射的頻率范圍很寬； (3) (3) 發(fā)射方向和相位也不同；發(fā)射方向和相位也不同； (4) (4) 非相干光發(fā)射非相干光發(fā)射: :不同頻率不同頻率, ,相位相位, ,偏振方向偏振方向, ,簡并度。簡并度。221211NdtdNAsp1-6Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber co

6、mmunicationsB. B. 受激吸收受激吸收 1 .1 . 處于低能級的處于低能級的E1E1的一個原子的一個原子, ,在頻率為在頻率為f f的輻射場的作用下的輻射場的作用下, ,吸收吸收一個能量為一個能量為hfhf的光子的光子, ,并受激的向并受激的向E E2 2能級躍遷能級躍遷hf=Ehf=E2 2-E-E1 1。 2 2 受激吸收幾率受激吸收幾率: : N11)12(12stdtdNr112121NdtdNrst1-7Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications r r1212不僅與原子性質(zhì)有關(guān)不僅與原子性質(zhì)有關(guān),

7、,而且還與外界輻射場的能量密度而且還與外界輻射場的能量密度 f f（單（單位體積內(nèi)，頻率處于位體積內(nèi)，頻率處于f f附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量）附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量）有關(guān)：有關(guān)： B B1212受激吸收躍遷受激吸收躍遷EinstainEinstain系數(shù)系數(shù). .它只與原子性質(zhì)有關(guān)。它只與原子性質(zhì)有關(guān)。C. C. 受激輻射受激輻射 1.1. 處于高能級處于高能級E2E2的一個原子的一個原子, ,在頻率為在頻率為f=(Ef=(E2 2-E-E1 1)/h)/h的光子激發(fā)下的光子激發(fā)下, , 受激的向受激的向E E1 1能級躍遷能級躍遷, ,同時同時, ,放出一個能量為放出一

8、個能量為hf=Ehf=E2 2-E-E1 1的光子的光子 2.2.受激輻射躍遷幾率受激輻射躍遷幾率frB12121-8Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications 是受激輻射躍遷的是受激輻射躍遷的EinstainEinstain系數(shù)系數(shù) 三三 . .激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件 A .(1) Amplifying Medium (2) Pumping Source (3) Optical Feedback (Cavity) B.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 閾值條件閾值條件: :增益增益= =損耗損耗221211NdtdNrstfrB/2121損耗系數(shù)小信號增益i2101ln21RRLgi1-9Copyright Wang Yan2022-3-15Optical fiber communications C. C. 相位平衡條件相位平衡條件: :激光器必須工作在諧振腔的工作模式激光器必須工作在諧振腔的工作模式 上。上。 光腔的駐波條件光腔的駐波條件: :在腔內(nèi)形成駐波。在腔內(nèi)形成駐波。nLcqfqnLqLqqq222