有源光器件和无源光器件

E2 N2
h
E1 N1
E p h E2 E1
处于高能级的原子自发的辐射一个频率为ν、能量 为E的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐 射。是相位、偏振方向不同的非相干光。
3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2 E h E2 E1
h
E1 N1
其中L是镜间距， N 是一个整数， n为谐振腔内折射率，λ是光波长。
a)任意波注入时的FP-LD
b)驻波注入时的FP-LD
例如：
如果L= 0.4mm = 400 μm， n=1
而λ= 1300 nm= 1.3 μm
则N = 615
谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其
也支持：2L(N ±1), 2L(N ±2),等等波长。这些 谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增 加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个， 被称之为跳模。
p-DBR active n-DBR
量子阱激光器
为了提高发射效率，使用特殊制造技术来得到特别薄的激 活区（4nm—20nm），称为量子阱（QW）激光器。
光波长转换
OADM DWDM 光隔离器 光环行器
光开关
多波长光源
DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换
可调谐滤波
DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
光器件的分类
• 光电变换器件 • 光开关与调制器件 • 光放大器件 • 光色散补偿器件 • 光网络器件
光电变换器件
• F-P腔激光二极管(LD) • 分布反馈布拉格激光器(DFB) • 分布布拉格反射激光器(DBR) • 外腔激光器与Q开关激光器 • 发光二极管(LED) • 光纤激光器(OFL) • 垂直腔表面发射激光器(ECSEL)
N2
E2 E1
e kT
1
e 0.086
105
1
N1
说明基态上粒子数最多。此时 受激辐射概率<受 激吸收概率，不能产生光放大。
eV 1.60221019 J
例题
1、假设一个激光二极管发出的红光的波长λ=650nm,那么单个光 子的能量是多少？
解： Ep =h ν =h•c/λ={[6.6 × 10-34 J • S] ×[3 ×108 m/s]}/650 ×10-9m=3.04 × 10-19 J
分布反馈激光器
Distributed Feedback (DFB) Laser
P peak
单纵模 (SLM)光谱
SMSR
高性能的通信激光器
*价格贵 (难于制造)
λ
*长距离干线 或 DWDM 系统
主要性能指标
*主要用于1550 nm *总输出功率 3 to 50 mw *谱线宽度10 to 100 MHz (0.08 to 0.8 pm) *边模抑制比 (SMSR): > 50 dB *相干长度约为 1 to 100 m *小的 NA (光易于耦合进光纤)
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
也就是3.3千万亿。
3.2 半导体光源
3.2.1半导体激光器的特点和应用 3.2.2半导体激光器（LD） 3.2.2发光二极管（LED）
3.2.1 半导体激光器的特点和应用
半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。 •受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E 的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的 光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐
*光谱宽度 3 to 20 nm
*Mode spacing 0.7 to 2 nm *高偏振Βιβλιοθήκη Baidu*相干长度约为 1 to 100 mm *小的 NA ( 光易于耦合进光纤)
λ (nm)
I(mA)
➢FP-LD的结构
FP-LD管芯示意图
➢FP-LD的工作原理
要实现FP-LD激射，必须满足几个基本条件： 要有能实现电子和光场相互作用的物质； 要有注入能量的泵浦源； 要有一个F-P谐振腔； 必须增益大于损耗 要满足振荡条件: λ= 2nL/N。
P peak
λ (nm)
相邻两个纵模的间隔λN –λN+1 ≈ λ2/2 n L
当谐振器的L=0.4mm, n=1，工作在λ= 1300 nm 附近时，计
算出λN –λN+1≈ 2.1 nm ，假设增益曲线的线宽等于7nm，则
这种活性介质可支持3个纵模。
c)增益损耗曲线和可能的纵模 d)实际的多模辐射 FP-LD的光谱宽度为纵模包络光功率最大值一半时的带宽。
射→同步的。
•形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。 •受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这 个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电子， 需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加 大的正向电流。 •为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转 受激辐射 正反馈
Ep =hν（ 3.1.3-1 ）
h是普朗克常数(h=6.626 ×10-34 J • S)，而ν是光子的频率。
原子从高能级→低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级 →高能级，对应于光子的吸收。
3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收
3.1.4 .1 自发辐射(spontaneous radiation)
第三章 有源光器件和无源光器件
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 –半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PD,PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
h E2 E1
h =6.6261×10-34 Js
其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常 数，ν为电磁辐射的频率。
3.1.2 光子
若原子从E2 → E 1 ，△ E=E2 – E 1 ， 这个差△ E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能
量被称为光子（photon）。
一个光子的能量Ep由下面的公式定义
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
➢法不里-泊罗激光器
Fabry-Perot (FP) Laser
➢多纵模(MLM) 光谱
P peak
➢“著名”的半导体激光器
➢最早用于光纤链路 (850 or 1300 nm) ➢今天:用于短或中等长度的光纤链路
➢主要性能指标
P(mW)
*主要用于波长 850 or 1310 nm
阈值
*总输出功率大于几 mw
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
a) 分布反馈激光器
b) 分布反馈工作原理
c) 实际单模辐射
分布布拉格反射 (DBR) 镜
*交替的半导体材料层 *40到60层,每层厚度 / 4 *光束的匹配与光纤更接近
主要性能指标
*波长范围780 to 980 nm (gigabit ethernet) *谱线宽度 <1nm *输出功率 >-10 dBm *相干长度10 cm to10 m *NA 0.2 to 0.3
半导体激光器（LD）的特点：
输出功率大(kW)，光谱宽度窄(0.01pm)，高 偏振，相干长度长，输出 NA小 ( 光易于耦 合进光纤)
半导体激光器（LD）的应用：
光纤通信、医学、测量、加工和军事等。
3.2.2 半导体激光器（LD）
FP-LD----法不里-泊罗激光器 DFB-LD—分布反馈激光器 DBR -LD ---分布反射激光器 QW –LD----量子阱激光器
自发辐射和受激辐射、吸收的区别：
•自发辐射是单向性的； •受激跃迁是双向的; •自发辐射概率与光强无关； •受激跃迁概率正比于光强。
3.1.4 粒子数反转
在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布:
N2 / N1 exp( Eg / kT) exp( h / kT)
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
第三章 有源光器件和 无源光器件
3.1 激光原理的基础知识 3.2 半导体光源 3.3 光电探测器 3.4 无源光器件
3.1 激光的基础知识
3.1.1 玻尔的能级假说 3.1.2 光子 3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 3.1.4 粒子数反转
3.1.1 玻尔的能级假说
能量最低的原子能级称为基态能级，其它 能量较高的原子能级称为激发态能级。
光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA) • 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices 元件：Components
N2
E2 E1
e kT
1
N2
N1
k=1.38×10-23J/K
N1
为玻耳兹曼常量
粒子数反转（N2 >N1）是实现激光放大的必要条件。
N2
N1
为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带， 为此，需要泵浦为跃迁提供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时 间，形成粒子数反转。
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
因为λ = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔
λN –λN+1 ≈ 2 n L/N2 = λ2/2 n L
激光出射条件
1、必须增益大于损耗： e2[g()]LR1R2 1
2、活性介质只能在很小的波长范围内提供增益 （ λ<hc/E）。谐振器和活性介质共同作用的结果， 只有几个落在增益曲线内的谐振波长才能被激射。
2、LD波长λ=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？
解：总能量 E =P × 1s=1 × 10 -3W × 1s = 1 × 10 -3J 这个能量等于E = Ep ×N,其中N是光子的数量。 所以N=E/ Ep = {1 × 10 -3J}/{3.04 × 10-19 J }=3.3 × 1015 ，
全同光子
在能量为E的入射光子的激励下，原子从高能级向 低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、 偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过 程称为受激辐射。
3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption)
E2 N2
h
E h E2 E1 E1 N1
上述外来光也有可能被低能级吸收，使原子从E1E2。 在入射光子的激励下，原子从低能级向高能级跃迁， 称为受激吸收。
• 色散补偿
– 色散补偿光纤模块 – SOA色散补偿 – 光纤光栅色散补偿
• 色散管理
光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） • 光连接器与光耦合器 • 光隔离器与光环行器 • 光滤波与光波分复用器件 • 光起偏器与偏振控制器 • 光波长转换与光波长路由器件 • 光调制解调器（Modem） • 光衰减器与光延时器件 • 光开关与光交叉连接器件 • 微光电机械芯片
为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激 光器实现这个功能。 其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜
子类似，但他仅选择反射波长为λB 的光。
2∧ neff= λB
“反馈”是指；使受激光子返回活性介质； “分布”是指；反射并不仅仅发生在一个点上。 二十世纪六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。 改进方案：DBR