通信用光器件

章节名称：第三章通信用光器件3.1 光源3.1.1半导体激光器工作原理

（2学时100分钟）

一、教学目的及要求：

1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；

2、了解系统对光源的要求。

3、理解光与物质相互作用的三个物理过程。

4、掌握激光器的发光机理。

二、教学重点及难点：

重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光器基本结构。

难点：激光器的发光机理。

三、教学手段：

板书与多媒体课件演示相结合。

四、教学方法：

课堂讲解、演示、提问。

五、作业：

3-1，3-2，3-3。

六、参考资料：

《光纤通信》杨祥林第三章

《光纤通信》刘增基第三章。

《光纤通信》Gerd Keiser著，李玉权等译第三章

第3章通信用光器件

通信用光器件可以分为两种类型：有源器件和无源器件。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，

和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。

光无源器件主要有连接器、耦合器、光合波器和光分波器、光滤波器和隔离器等。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号电流转换为光信号功率。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器（LD）和发光二极管或称发光管（LED）。讲解

板书动

画演示

45分钟

对光源性能的基本要求

1光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符

石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长分别为0.85 A m（850nm）、1.31 A m （1310nm）和1.55 J m （1550nm）。因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。

2足够的光输出功率

在室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信

系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。目前激

光二极管能提供500微瓦（J W、到10毫瓦（mW ）

的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（」W、到讲解

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3光和物质相互作用

有源器件 的物理基础 是光和物质相互作用 的效 应。1917年

爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理 论提出，光与物质的相互作用时，将发生(1)受激吸收、 (2)自发辐射、(3)受激辐射三种基本物理过程。

图能级和电子跃迁

量相同，电子离原子核平均距离相同。在物质的原子 中，存在许多能级，最低能级 E 1称为基态；能量比基 态大的中间能级E i (i =2, 3)称为亚稳态，在亚稳态上 粒子的平均寿命时间为10ms ；能量较高的能级E 4称 为激发态，在激发态上粒子的平均寿命时间为 1 J

s 。

讲解 板书 课

件演示 动画演示

硅原子的能级图

主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，

费米能级E f会进入导带，称为简并型N型半

导体，如图所示

11) t)

0 DOO DO

2接触后PN结半导体的能带图

当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后，由于载

流子向对方互相扩散的结果，使N区的费米能级降低，P区

的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。

由于内建电场的作用，形成了能量为的eV D势垒, 阻止

了载流子的进一步扩散，因此在热平衡状态下，高能级上电

子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。如

图所示。

讲解

板书课

件演示动

画演示&&&&&&

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3外加正向偏压下PN结半导体的能带图。

当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和

内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时

统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。

这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以

上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，

称为半导体激光器的作用区或有源区。

外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN

结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质

（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出

光，见图演示。

讲解

板书课

件演示

四激光振荡和光学谐振腔

粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

激光器是由反射率为100%( R =1)的全反射镜

与反射率为90%~95%( R2 ::: 1)的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，FP)谐振腔，见图演示。

谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光。动画演示

讲解

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