第3章 光纤通信器件-PPT精品文档

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3.1.3 半导体激光器的结构、工 作原理及工作特性
• 半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管 （LED • 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口, 即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与 1.55μm。 （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 （3 （4）光源的谱线宽度窄。 （5
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1．粒子数反转分布与光放大之 间的关系
• • 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用 大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。 • 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 • 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 • 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激 活物质。
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3.1.5 量子阱半导体激光器
• 图3-22 量子阱半导体激光器
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3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检 测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是 APD雪崩光电二极管。
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3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图
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3.1.4 分布反馈半导体激光器
1．DFB • 在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两 端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，
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3.1.4 分布反馈半导体激光器
2． DBR激光器 • DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。 • 它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉 格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成
• DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但 其阈值电流要比DFB
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3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 图3-21 DBR半导体激光器的结构
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3.1.5 量子阱半导体激光器
• 量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源
• 理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在有源 层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区 的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效 • 结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极 薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度 很高。 • 量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-14 P-N结形成后的能带分布
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-15 外加正偏压后P-N结的能带分布
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2．半导体激光器的工作特性
（1 • 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一 值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激 光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。 （2 • 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变 化。 •
第3章
光纤通信器件
3.1 半导体光源 3.2 半导体光电检测器 3.3 光放大器 3.4 无源光器件
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3.1 半导体光器件
• 光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部 件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入 光纤。 • 目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器 （Laser Diode，LD）和半导体发光二极管 （Light Emitting Diode，LED
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 半导体的能带分布。 ① 本征半导体的能带分布。 ② P型半导体和N型半导体的形成。 ③ 在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能 带分布。 ④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产 生。
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-11 本征半导体的能带分布
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2．半导体激光器的工作特性
• 图3-18 GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱
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2．半导体激光器的工作特性
（4 • 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的 器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率
• 激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消 耗的电功率之比，用ηP表示。
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2．半导体激光器的工作特性
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-12 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-13 P-N结空间电荷区
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 ④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产 生。 Ⅰ P-N结空间电荷区的形成。 Ⅱ P-N结形成后的能带分析。 Ⅲ P-N结外加正偏压后的能带分布。 Ⅳ 激光的产生。
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3.1.3 半导体激光器的结构、工 作原理及工作特性 1．半导体激光器（LD 2．半导体激光器的工作特性
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半 导体激光器。 • 在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看， 主要有两种方式构成的激光器，
– 一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐 振腔），这种激光器称为F-P腔激光器； – 另一种是分布反馈型（DFB）激光器。
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2．激光器的基本组成
• 激光振荡器必须包括以下三个部分：
– 能够产生激光的工作物质， – 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源， – 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
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3．光学谐振腔
• ① 光学谐振腔的结构。 • 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和 M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。 • 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球
• 光是由能量为hf的光量子组成的，其中 h=6.626×10-34J· S，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。 • 不同频率的光子具有不同的能量。 • 光具有波、粒两重性。
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2．费米能级
（1 • 物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子 构成的。 • • 电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能 有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相 应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能 有某些允许的数值。 • 这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开 的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原 子的不同能级。
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3．光和物质的相互作用
• 图3-2 原子的自发辐射
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3．光和物质的相互作用
（2 • 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外 来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受 • ① 这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是 ② ③ 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。
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3.2 半导体光电检测器
3.2.1 半导体的光电效应 3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3 光电检测器的特性
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3.2.1 半导体的光电效应
• 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光 照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大， 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量， 从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电 子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，
59321半导体的光电效应图323半导体材料的光电效应60321半导体的光电效应当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时若有光电子空穴对产生显然必须满足如下关系61322光纤通信中常用的半导体光电检测器1pin光电二极管2apd雪崩光电二极管621pin光电二极管图324pin光电二极管能带图631pin光电二极管图325pin光电二极管结构示意图642apd雪崩光电二极管如果能使电信号进入放大器之前先在光电二极管内部进行放大这就引出了一种另外类型的光电二极管即雪崩光电二极管又称apdavalanchephotodiode
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光 器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体 激光器。
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-9 半导体激光器的结构示意图
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1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理 • 图3-10 InGaAsP双异质结条形激光器示意图
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3．光和物质的相互作用
• 图3-4 原子的受激辐射
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3.1.2 激光器的工作原理
• • 要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而 产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物 质中的受激辐射必须大于受激吸收。 • 受激辐射是产生激光的关键。
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3.1.2 激光器的工作原理
1．粒子数反转分布与光放大之间的关系 2．激光器的基本组成 3．光学谐振腔 4．激光器的参量
图3-19 激光器阈值电流随温度变化的曲线
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3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单 纵模激光器，即在高速调制下仍然能单纵模工作的半 导体激光器。 • 它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，
• 这种激光器又可分为分布反馈激光器（DFB）及分布 布拉格反射激光器两种，这两种激光器的工作原理都 • 布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面 时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格 反射。
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3.1 半导体光器件
3.1.1 激光器的物理基础 3.1.2 激光器的工作原理 3.1.3 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 3.1.4 分布反馈半导体激光器 3.1.5 量子阱半导体激光器
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3.1.1 激光器的物理基础
1．光子的概念 2．费米能级 3．光和物质的相互作用
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1．光子的概念
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4．激光器的参量
• 图3-7 激活物质的放大作用
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4．激光器的参量
（3 • 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈 • 阈值条件为
1 1 G ln t i 2 l r r 1 2
• 其中Gt • 激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。
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4．激光器的参量
（4 • • 光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件
• 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反 射系数r=1；另一个为部分反射，如M2 r<1 • ②
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3．光学谐振腔
• 图3-5 光学谐振腔的结构
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3．光学谐振腔
• 图3-6 激光器示意图
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3．光学谐振腔
• 综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须 具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和 光学谐振腔。 • 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分 布，成为激活物质，从而有光的放大作用。 • 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要 条件。
• 光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。 • 在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出， 这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、 受激吸收以及受激辐射。
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3．光和物质的相互作用
（1 • 发射光子的频率
E2 E1 f h
• ① 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。 ② ③
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2．半导体激光器的工作特性
• 图3-16 激光器输出特性曲线
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2．半导体激光器的工作特性
（2 • 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变 化。 •
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2．半导体激光器的工作特性
• 图3-17 GaAs激光器的光谱
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2．半导体激光器的工作特性
（3 • 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的 特性为温度特性。
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3．光和物质的相互作用
• 图3-3 原子的受激吸收
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3．光和物质的相互作用
（3 • 处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁 到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个 过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐 射。 • ① 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 ② 受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同， 而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们 是全同光子。 ③
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4．激光器的参量
（1）平均衰减系数α • 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要 足以抵消腔内的损耗。 • 谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数α表示为
1 1 i r i ln 2 l r r 1 2
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4．激光器的参量
（2 • 激活物质的放大作用用增益系数G • G表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增
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3.2.1 半导体的光电效应
• 图3-23 半导体材料的光电效应
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3.2.1 半导体的光电效应
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平 衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为
f( E ) (E E /k T f) 0 1 e
• 费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反
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• 图3-1 费米分布函数变化曲线
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3．光和物质的相互作用