半導(dǎo)體激光器原理及在光纖通信中的應(yīng)用課件

半導(dǎo)體激光器的工作原理

及在光纖通信中的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的工作原理

及在光纖通信中的應(yīng)用1小組人員小組人員21960年5月15日，加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激光，波長為694.3納米。紅寶石激光器1960年5月15日，加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Mai3連續(xù)式（功率可達104W）脈沖式（瞬時功率可達1017W/cm2

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2、按工作方式分類激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。激光器的種類：1、按工作物質(zhì)分類

固體激光器（如紅寶石Al2O3）液體激光器（如某些染料）氣體激光器（如He-Ne、CO2）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵GaAs）自由電子激光器激光器連續(xù)式（功率可達104W）2、按工作方式分類4半導(dǎo)體激光器（LaserDiode)

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個要素：激活介質(zhì)經(jīng)受激后能實現(xiàn)能級之間的躍遷；能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置；放置激活介質(zhì)的諧振腔，提供光反饋并進行放大，發(fā)出激光。半導(dǎo)體激光器（LaserDiode)半導(dǎo)體激光器是5半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理6hυ初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1受激輻射：在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。

光子的特點：相干光

產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位半導(dǎo)體激光器的工作原理hυ初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1受激輻射：在高能級E2的電子，受7導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶正常分布反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布半導(dǎo)體激光器的工作原理導(dǎo)帶價帶8光增益ECEV產(chǎn)生激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔半導(dǎo)體激光器的工作原理光增益ECEV產(chǎn)生激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔半導(dǎo)體激光器9請看半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光原理—動畫演示請看半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光原理—動畫演示10半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)1）、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

正向電壓V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)PN能帶PN結(jié)LD的特點：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)1）、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器正向電112）、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2）、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶12電信號輸入調(diào)制光源光放大器光檢測器信號恢復(fù)電信號輸出光發(fā)射機尾纖連接器光纖光纖接頭盒光耦合器其它設(shè)備光接收機光纖接頭盒連接器再生中繼器尾纖光纖光纖

光纖通信原理光纖通信是用光作為信息的載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。

圖：光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成電信號輸入調(diào)制光源光放大器光檢測器信號恢復(fù)電信號輸出光發(fā)射機13

光纖通信的基本單元為三個部分：光發(fā)射機、光纖和光接收機。光發(fā)射機由將帶有信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號送入光纖的傳輸裝置組成，其中光源是其核心部件，由半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（LightEmissionDiode）或者激光二極管LD（LaserDiode）構(gòu)成。LD在光纖通信中的應(yīng)用低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光hν輸出光圖：光的受激發(fā)射（激光二極管）圖：光發(fā)射模塊實物圖光纖通信的基本單元為三個部分：光發(fā)射機、光纖和光接收14光纖放大器

光信號沿光纖傳輸一定距離后，會因為光纖的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。為了使信號傳送的距離更大，就必須增強光信號。光放大器起著對光波放大的作用，用于彌補光信號傳輸一定距離后，因光纖衰減致使的光功率減弱。大功率LD的重要應(yīng)用就是作為光纖放大器的泵浦光源。

光放大器是基于受激輻射機理來實現(xiàn)入射光功率放大的，工作原理如圖：隔離器輸入光激活介質(zhì)泵浦源隔離器輸出光圖：光放大器的原理光纖放大器光信號沿光纖傳輸一定距離后，會因15光纖通信為什么選用LD？比較理想的光源。發(fā)出的光：激光，是一種相干光。發(fā)光原理：受激輻射。優(yōu)點：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。實用性：適用于高效率、大容量的光纖通信系統(tǒng)。 IF(mA)P(mW)圖：LD外形圖和輸出特性光纖通信為什么選用LD？比較理想的光源。IF(mA)P(16LD在光纖通信中的作用

1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng)。由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計算機外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途。半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信。LD在光纖通信中的作用1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)17LD在其他方面的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器還廣泛應(yīng)用于電子元器件、手機通訊、鐘表