章通信用光器件EDFA
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出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全
同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所
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（教材第54页）
3.1.1 激光器的工作 原理
（4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为 N2，在正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。
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（教材第55页）
3.1.1 激光器的工作
（2）泵浦源
原理
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵
浦源。
物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大
于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，
成为激活物质或增益物质。
（3）光学谐振腔
激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振
在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级
（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——
光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界 的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的
能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光
二极管。
③ 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激 发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放
下关系式 E E2 E1 hf 12
式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的
光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能
级E2 上去。
2020/10/31光纤通信用的发光（元教材件第和53光页）检测元件就是利用这两种现6
即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激
吸收，即使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电
子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转 分布。
粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要 条件。
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（教材第52页）
3.1 光源
光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信 号转换成光信号送入光纤。
光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导 体发光二极管两种。
半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤 通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容 量的数字光纤通信系统中得到广泛应Байду номын сангаас。
3.1.1 激光器的工作 原理
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的 激励源（泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质
即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物 质或增益物质，它是产生激光的必要条件。
第3章 通信用光器 件
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第3章 通信用光器件
本章内容、重点和难点
本章内容
光源：半导体激光器和发光二极管。
光电检测器：PIN和APD光电二极管。
无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开
关等。
本章重点
激光器的工作原理。
光源和光电检测器工作原理及其工作特性。
无源光器件的功能及主要性能。
本章难点
2020/10/31 发光机理。
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（教材第52页）
第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求
了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作 特性。 熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。
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腔中，以提供必要的反馈及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。
激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
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（教材第55页）
3.1.1 激光器的工作 原理
① 光学谐振腔的结构
在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分
别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐
发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数 字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺 简单、成本低、可靠性好。
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（教材第53页）
3.1.1 激光器的工作 原理
半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现
粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡输出激光。
振腔。
如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球
面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要
求其中一个能全反射，另一个为部分反射。
图3-2 光学谐振腔的结构
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3.1.1 激光器的工作 原理
② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现 粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向 不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振 腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激 跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为 受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量 正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光 相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2 透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放 2大020/所10/3得1 的能量，恰好抵（消教材所第消56耗页）的能量时，激光器即保持稳13
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的， 其中h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），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。
当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体 被吸收或发射。
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（教材第53页）
3.1.1 激光器的工作
3.1.1 激光器的工作 原理
（3）光与物质的三种作用形式
光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，
将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图
3-1所示。
图3-1 能级和电子跃迁
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（教材第54页）
3.1.1 激光器的工作 原理
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，
（2）原子能级
原理
物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。
原子有不同稳定状态的能级。
最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级 E i（i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃 迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E =E2−E1，并以光 子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以
同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所
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3.1.1 激光器的工作 原理
（4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为 N2，在正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。
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3.1.1 激光器的工作
（2）泵浦源
原理
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵
浦源。
物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大
于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，
成为激活物质或增益物质。
（3）光学谐振腔
激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振
在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级
（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——
光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界 的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的
能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光
二极管。
③ 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激 发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放
下关系式 E E2 E1 hf 12
式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的
光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能
级E2 上去。
2020/10/31光纤通信用的发光（元教材件第和53光页）检测元件就是利用这两种现6
即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激
吸收，即使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电
子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转 分布。
粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要 条件。
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3.1 光源
光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信 号转换成光信号送入光纤。
光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导 体发光二极管两种。
半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤 通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容 量的数字光纤通信系统中得到广泛应Байду номын сангаас。
3.1.1 激光器的工作 原理
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的 激励源（泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质
即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物 质或增益物质，它是产生激光的必要条件。
第3章 通信用光器 件
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第3章 通信用光器件
本章内容、重点和难点
本章内容
光源：半导体激光器和发光二极管。
光电检测器：PIN和APD光电二极管。
无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开
关等。
本章重点
激光器的工作原理。
光源和光电检测器工作原理及其工作特性。
无源光器件的功能及主要性能。
本章难点
2020/10/31 发光机理。
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第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求
了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作 特性。 熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。
2020/10/31
腔中，以提供必要的反馈及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。
激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
2020/10/31
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（教材第55页）
3.1.1 激光器的工作 原理
① 光学谐振腔的结构
在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分
别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐
发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数 字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺 简单、成本低、可靠性好。
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（教材第53页）
3.1.1 激光器的工作 原理
半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现
粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡输出激光。
振腔。
如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球
面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要
求其中一个能全反射，另一个为部分反射。
图3-2 光学谐振腔的结构
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3.1.1 激光器的工作 原理
② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现 粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向 不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振 腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激 跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为 受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量 正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光 相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2 透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放 2大020/所10/3得1 的能量，恰好抵（消教材所第消56耗页）的能量时，激光器即保持稳13
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的， 其中h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），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。
当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体 被吸收或发射。
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（教材第53页）
3.1.1 激光器的工作
3.1.1 激光器的工作 原理
（3）光与物质的三种作用形式
光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，
将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图
3-1所示。
图3-1 能级和电子跃迁
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3.1.1 激光器的工作 原理
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，
（2）原子能级
原理
物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。
原子有不同稳定状态的能级。
最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级 E i（i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃 迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E =E2−E1，并以光 子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以