最新光纤通信的基本器件1讲课教案
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3、 半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器, 称为半导体激
光器(LD)。 常用的有F - P腔(法不里 - 泊罗腔)激光器和分布反馈
型激光器(DFB)。 下面介绍F - P腔激光器中的同质结和双异质结半
导体激光器。
1) 同质结砷化镓半导体激光器 在光纤通信中, F - P腔激光器采用的工作物质(半导 体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。 如 图3 - 3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。
光纤通信的基本器件1
第3章 光纤通信的基本器件---能- 力要求：
1、掌握光与物质的作用过程 2、掌握半导体激光器的发光机理及其
特性 3、掌握半导体二极管的发光机理及其
特性 4、了解光纤通信系统的实用光源 5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管
的结构及原理 6、了解各种光无源器件的类型及其作
完成频率选择 及反馈作用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
使工作物质处于 粒子数反转分布
状态
图3-1 半导体激光器结构 激活物质
（1）工作物质
要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子 数反转分布。
（2）泵浦源
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源
N2>N1 , 受激辐射>受激吸收 ，从而有光的放大作用。
工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。
2) 双异质结半导体激光器 双异质结半导体激光器结构如图3 - 4所示, (N)InGaAsP是发光的作用区(有源区), 其上、 下两层称 为限制层, 它们和作用区构成光学谐振腔。 限制层和作 用层之间形成异质结。 最下面一层N型InP是衬底, 顶层 (P+)InGaAsP是接触层, 其作用是为了改善和金属电极的 接触。
E3
能
E2
带 E1
导带 禁带 价带
半导体发光机理
电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激 吸收、受激辐射。
3.1 光源
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
E1
自发辐射是发光二极管的理论基础
(a) 自发辐射（点击动画）
3.1 光源
E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
受激吸收是光电检测器的基础
图 3 – 3 同质结砷化镓半导体激光器
同质结砷化镓半导体激光器结构简单, 由PN结发光; 其 阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大; 在室 温下工作发热严重, 无法做到连续的激光输出; 室温下只 能工作在脉冲状态, 且脉冲的重复频率不高, 约为几十千 赫兹, 脉冲的宽度很窄, 约为100 ns; 适合在小容量、 低 速率光纤通信系统中使用。
光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。
受激辐射是半导体激光器发光的基础。 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。
二、半导体激光器（LD）
1、激光器的作用 激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发 出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们 控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。 2. 激光器的基本结构 激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工 作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源--电源）。
(b) 受激吸收（点击动画）
E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
受激辐射是半导体激光器的基础
(c) 受激辐射（点击动画）
半导体发光机理
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1） 的电子数分别为N1和N2.
正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状 态称为热平衡状态（即正常分布状态）。
（3）光学谐振腔
提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反
射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。
全反射镜
部分反射镜 激光输出
图3-2谐振腔
谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方 向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通过 激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地 逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因 而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。
特点: 双异质结半导体激光器克服了同质结半导体 激光器缺点, 有源区厚度加大, 阈值电流降低(30 mA～ 80 mA), 波长范围为1.27 μm～1.33 μm。
图 3 – 4 双异质结半导体激光器结构
图 3 – 5 DFB - LD激光器结构
5、半导体激光器的工作特性 1) 阈值特性
阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加, 产生激
用 7、掌握常用光纤连接器的特点
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光放大器 3.4 光无源器件
3.1 光 源
对光源的要求： 性能好、寿命长、使用方便 1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口； 2）光源的输出功率要足够大 3）温度特性优良 4）光源的发光谱宽度要窄 5）光源应具有高度的可靠性 6）省电, 且体积小、 重量轻 7）光源器件应便于调制, 调制速率能适应系统要求。
常用的两种光源器件, 即半导体激光器和半导体发 光二极管。
发光二极管用LED：荧光
激光二极管用LD：激光
半导体发光机理
一、半导体发光机理
电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围 旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能 级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量 高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不 可能占据禁带。
对于N1＜N2的状态，称作为负温度状态,即粒子数反转分 布状态。
半导体发光机理
受激辐射与受激吸收的特点：
1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－E1 2）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏
振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。 3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来
光振荡的激励电流。某半导体激光器P - I曲线如图3 - 6 所示。
图 3 – 6 P - I曲
当激励电流I<Ith时, 有源区无法达到粒子数反转, 也无
法达到谐振条件, 自发辐射为主, 输出功率很小, 发出的是 荧光;
3、 半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器, 称为半导体激
光器(LD)。 常用的有F - P腔(法不里 - 泊罗腔)激光器和分布反馈
型激光器(DFB)。 下面介绍F - P腔激光器中的同质结和双异质结半
导体激光器。
1) 同质结砷化镓半导体激光器 在光纤通信中, F - P腔激光器采用的工作物质(半导 体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。 如 图3 - 3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。
光纤通信的基本器件1
第3章 光纤通信的基本器件---能- 力要求：
1、掌握光与物质的作用过程 2、掌握半导体激光器的发光机理及其
特性 3、掌握半导体二极管的发光机理及其
特性 4、了解光纤通信系统的实用光源 5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管
的结构及原理 6、了解各种光无源器件的类型及其作
完成频率选择 及反馈作用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
使工作物质处于 粒子数反转分布
状态
图3-1 半导体激光器结构 激活物质
（1）工作物质
要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子 数反转分布。
（2）泵浦源
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源
N2>N1 , 受激辐射>受激吸收 ，从而有光的放大作用。
工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。
2) 双异质结半导体激光器 双异质结半导体激光器结构如图3 - 4所示, (N)InGaAsP是发光的作用区(有源区), 其上、 下两层称 为限制层, 它们和作用区构成光学谐振腔。 限制层和作 用层之间形成异质结。 最下面一层N型InP是衬底, 顶层 (P+)InGaAsP是接触层, 其作用是为了改善和金属电极的 接触。
E3
能
E2
带 E1
导带 禁带 价带
半导体发光机理
电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激 吸收、受激辐射。
3.1 光源
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
E1
自发辐射是发光二极管的理论基础
(a) 自发辐射（点击动画）
3.1 光源
E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
受激吸收是光电检测器的基础
图 3 – 3 同质结砷化镓半导体激光器
同质结砷化镓半导体激光器结构简单, 由PN结发光; 其 阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大; 在室 温下工作发热严重, 无法做到连续的激光输出; 室温下只 能工作在脉冲状态, 且脉冲的重复频率不高, 约为几十千 赫兹, 脉冲的宽度很窄, 约为100 ns; 适合在小容量、 低 速率光纤通信系统中使用。
光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。
受激辐射是半导体激光器发光的基础。 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。
二、半导体激光器（LD）
1、激光器的作用 激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发 出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们 控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。 2. 激光器的基本结构 激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工 作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源--电源）。
(b) 受激吸收（点击动画）
E2 hf12
E1
初态
E2
终态
E1
受激辐射是半导体激光器的基础
(c) 受激辐射（点击动画）
半导体发光机理
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1） 的电子数分别为N1和N2.
正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状 态称为热平衡状态（即正常分布状态）。
（3）光学谐振腔
提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反
射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。
全反射镜
部分反射镜 激光输出
图3-2谐振腔
谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方 向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通过 激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地 逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因 而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。
特点: 双异质结半导体激光器克服了同质结半导体 激光器缺点, 有源区厚度加大, 阈值电流降低(30 mA～ 80 mA), 波长范围为1.27 μm～1.33 μm。
图 3 – 4 双异质结半导体激光器结构
图 3 – 5 DFB - LD激光器结构
5、半导体激光器的工作特性 1) 阈值特性
阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加, 产生激
用 7、掌握常用光纤连接器的特点
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光放大器 3.4 光无源器件
3.1 光 源
对光源的要求： 性能好、寿命长、使用方便 1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口； 2）光源的输出功率要足够大 3）温度特性优良 4）光源的发光谱宽度要窄 5）光源应具有高度的可靠性 6）省电, 且体积小、 重量轻 7）光源器件应便于调制, 调制速率能适应系统要求。
常用的两种光源器件, 即半导体激光器和半导体发 光二极管。
发光二极管用LED：荧光
激光二极管用LD：激光
半导体发光机理
一、半导体发光机理
电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围 旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能 级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量 高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不 可能占据禁带。
对于N1＜N2的状态，称作为负温度状态,即粒子数反转分 布状态。
半导体发光机理
受激辐射与受激吸收的特点：
1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－E1 2）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏
振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。 3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来
光振荡的激励电流。某半导体激光器P - I曲线如图3 - 6 所示。
图 3 – 6 P - I曲
当激励电流I<Ith时, 有源区无法达到粒子数反转, 也无
法达到谐振条件, 自发辐射为主, 输出功率很小, 发出的是 荧光;