光纤通信第5章光源及光发送机
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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。
5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收
1 自发辐射(spontaneous radiation)
E2 N2
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
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； kຫໍສະໝຸດ Baidu～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N2
E2 E1
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
5.1 激光的基础知识
5.1.1 玻尔的能级假说 5.1.2 光子 5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 5.1.4 粒子数反转
5.1.1 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。
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。
5.1.2 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)
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。
• 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
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
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。
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。
第5章 光源与光发送机
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
• 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
5.1.4 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:
N 2 /N 1 ex E g/ p k)( T ex h/ p k)( T
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
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。
h
E1 N1
EphE2E1
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。
2 受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2 E h E2 E1
h
E1 N1
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。
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
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。
5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收
1 自发辐射(spontaneous radiation)
E2 N2
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
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； kຫໍສະໝຸດ Baidu～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N2
E2 E1
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
5.1 激光的基础知识
5.1.1 玻尔的能级假说 5.1.2 光子 5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 5.1.4 粒子数反转
5.1.1 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。
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。
5.1.2 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)
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。
• 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
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
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。
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。
第5章 光源与光发送机
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
• 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
5.1.4 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:
N 2 /N 1 ex E g/ p k)( T ex h/ p k)( T
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
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。
h
E1 N1
EphE2E1
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。
2 受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2 E h E2 E1
h
E1 N1
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。
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