现代电子材料与元器件

传输损耗特性
正是这些吸收峰之间的低损耗区域形成了光 纤通信的三个低损耗窗口（0.85μm，1.31μm， 1.55μm）。氢氧根离子吸收损耗谱是光纤损 耗谱曲线的主要组成部分。
图6.4 光纤的总损耗谱
7
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
第六章 光电子材料与器件
微电子教学部 3506
6.2 光纤
4 光纤的制备
主要包括原料的制备与 提纯、预制棒或晶锭的 制作与拉丝
拉丝即从制得的预制棒拉出一 定直径细丝的过程，其中关键 是要保持芯包比和折射率分布 不变。 通过改变光纤拉丝速度控制光纤 外径。光纤在进行保护塑料涂覆 前，应有足够的冷却时间，且涂 覆应保证涂层和光纤的同心度。
13
6.3 激光器及材料
1 固体激光器的工作原理
四能级系统原理
三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都 处 实于 现基 粒态 子数，反只转有。激励源很强而且抽运很快，才可使N2 > N1，
四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数 反转。因为这时低能级E1不是基态而是激发态，其上的粒 子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累， 就容易达到N2>N1，实现粒子数反转分布，在能级E2、E1 之间产生激光。于是，E3上的粒子数向E2跃迁， E1上的粒 子数向E0过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级 系统比三能级系统的效率高。
一般情况下，模式色散>材料色散>波导色散
9
6.2 光纤
光纤色散特性
光纤的总色散由上述三种色散之和决定。
在多模光纤中，主要是模式色散和材料色散，当折射率分布完 全是理想状态时，模式色散影响减弱，这时材料色散占主导地 位。
在单模光纤中，主要是材料色散和波导色散。由于没有模式色 散，所以其带宽很宽。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分。
图6.5 固体激光器的基本结构
11
6.3 激光器及材料
1 固体激光器的工作原理
激发态
E3
E3
激抽 励运
无辐射跃迁
E2 亚稳态
A B B 21 12 21
E1 基态
2
6.2 光纤
5 光纤的应用
传输光纤
图6.3 光纤中的子午线
光纤由纤芯和包层构成，纤芯的折射率nl高于包层的折射率n2， 光入射到光纤的芯子后，将在纤芯与包层之间形成全反射，最 终沿光纤的轴向传播，如图6.5所示。
3
6.2 光纤
5 光纤的应用
传输光纤
光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2的差值，决定了临界角 的大小。差值越大，临界角越小，越容易实现全反射。 但这个差值也不能太大，光纤通信用的多模光纤，相对折射率差
光纤的色散特性还可以用光纤的带宽来表示。
如把一般光纤看成一段线性网络，带宽表示它的频域特性，时 延差代表它的时域特性，利用付氏变换就可以求出光纤带宽和 时延差的关系。
10
6.3 激光器及材料
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
材料色散
由于折射率是随波长变化的，而光波都具有一定的波谱宽度， 因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。
模式色散
在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不 同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短， 由此引起时延差而产生的模式色散。
波导色散
波导色散是由光纤的几何结构决定的色散，它是由某一波导模 式的传播常数β随光信号角频率变化而引起的，也称结构色散。
图6.7 红宝石中Cr3+能级图
16
6.3 激光器及材料
4 几种常见的固体激光器
Nd3+:YAG激光器
YAG是迄今使用最为广泛的激光晶体
理想的四能级激光器， 室温下有3条荧光谱线， 以1.0641μm最强
1.06μm (4F3/2→4I11/2) 1.319μm (4F3/2→4I13/3) 0.946μm (4F3/2→4I9/2)
三能级图
激 励
无辐射跃迁
E2
A B B 抽
21
12 21
运
E1
E0
四能级图
12
6.3 激光器及材料
1 固体激光器的工作原理
三能级系统原理
E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵 浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒 子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰 撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2 态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是 实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。
14
源自文库
6.3 激光器及材料
1 固体激光器的工作原理
综上所述，实现激光振荡的必要条件
形成粒子数分布反转 使受激辐射占优势
具有谐振腔 实现光量子放大
至少达到阈值电流密度 光增益 > 光损耗
15
6.3 激光器及材料
4 几种常见的固体激光器
红宝石激光器
A12O3:Cr3+ 激发波长0.6943μm
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
脉冲展宽：当一个光脉冲通过光纤时，由于光的色散特性， 在输出端光脉冲响应被拉长的现象。
8
6.2 光纤
光纤色散特性
(n1n2)/n10.01 传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求： 损耗低，色散小。
4
6.2 光纤
传输光纤 传输损耗特性
光纤的损耗特性以每公里 对信号的衰减来描述，单 位为Db/km。光纤损耗的 大小，不仅标志着光纤制 作技术的水平，而且也决 定光纤通信中继距离的长 短。
5
6.2 光纤
传输损耗特性 材料固有吸收
紫外吸收损耗 ——0.8～1.6μm 的强烈吸收 红外吸收损耗 ——可忽略
原子缺陷吸收
对石英玻璃光纤来说——影响很小
杂质吸收
金属离子的吸收损耗 ——不显著
OH-的吸收损耗——2.73μm，对1.39μm、1.24μm和0.95μm 影响比较大
6
6.2 光纤