光纖通信中的光源

1、1-1Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 第五章第五章 光纖通信中的光源光纖通信中的光源 第一節(jié)第一節(jié) 激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的基本原理 第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體激光器的基本概念半導(dǎo)體激光器的基本概念 第三節(jié)第三節(jié) 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的工作原理異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的工作原理 第四節(jié)第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性1-2Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 1. 1. 光源的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。光源的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光

2、信號(hào)。2.2.光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)發(fā)射波長(zhǎng)與光纖的低損耗或低色散波長(zhǎng)相一致；發(fā)射波長(zhǎng)與光纖的低損耗或低色散波長(zhǎng)相一致；(2)(2)能夠在室溫下連續(xù)工作能夠在室溫下連續(xù)工作, ,輸出功率滿足光纖通信系統(tǒng)的要求；輸出功率滿足光纖通信系統(tǒng)的要求；(3)(3)譜線寬度可以做的較窄譜線寬度可以做的較窄, ,以減少光纖中的色散的影響；以減少光纖中的色散的影響；(4)(4)體積小體積小, ,重量輕重量輕, ,使用壽命長(zhǎng)使用壽命長(zhǎng), ,與光纖耦合效率高與光纖耦合效率高, ,調(diào)制簡(jiǎn)便。調(diào)制簡(jiǎn)便。1

3、-3Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 一一. .原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) A.能級(jí)能級(jí) B.Boltzman Distribution12,2, 1/ ) 12(121N20ggggTkEEeggN令簡(jiǎn)并度分布各能級(jí)上的相對(duì)粒子數(shù)第一節(jié)第一節(jié) 激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的基本原理1-4Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 二二 光的輻射和吸收光的輻射和吸收A A自發(fā)輻射自發(fā)輻射1.1.原子在外界影響的情況下原子在外界影響的情況下, ,處在高

4、能級(jí)上的電子會(huì)自發(fā)的向低能處在高能級(jí)上的電子會(huì)自發(fā)的向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。級(jí)躍遷而發(fā)光。1-5Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 2.2.自發(fā)輻射幾率自發(fā)輻射幾率A21:A21:單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)N2N2個(gè)高能態(tài)的原子中發(fā)生自發(fā)躍遷個(gè)高能態(tài)的原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與的原子數(shù)與N2N2的比值自發(fā)輻射的比值自發(fā)輻射EinstainEinstain系數(shù)。系數(shù)。(dN(dN2121) )spsp: :由于自發(fā)躍遷引起的有由于自發(fā)躍遷引起的有E E2 2向向E E1 1躍遷的原子數(shù)躍遷的原子數(shù)3.3.能級(jí)的平均壽命能級(jí)的平均

5、壽命 =1/A=1/A21214.4.自發(fā)輻射的特點(diǎn)自發(fā)輻射的特點(diǎn): : (1) (1) 各個(gè)處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地各個(gè)處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地. .獨(dú)立的進(jìn)行躍遷；獨(dú)立的進(jìn)行躍遷； (2) (2) 輻射光子的頻率不同輻射光子的頻率不同, ,自發(fā)輻射的頻率范圍很寬；自發(fā)輻射的頻率范圍很寬； (3) (3) 發(fā)射方向和相位也不同；發(fā)射方向和相位也不同； (4) (4) 非相干光發(fā)射非相干光發(fā)射: :不同頻率不同頻率, ,相位相位, ,偏振方向偏振方向, ,簡(jiǎn)并度。簡(jiǎn)并度。221211NdtdNAsp1-6Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber co

6、mmunicationsB. B. 受激吸收受激吸收 1 1 . . 處于低能級(jí)的處于低能級(jí)的E1E1的一個(gè)原子的一個(gè)原子, ,在頻率為在頻率為f f的輻射場(chǎng)的作用下的輻射場(chǎng)的作用下, ,吸收吸收一個(gè)能量為一個(gè)能量為hfhf的光子的光子, ,并受激的向并受激的向E E2 2能級(jí)躍遷能級(jí)躍遷hfhf=E=E2 2-E-E1 1。 2 2 受激吸收幾率受激吸收幾率: : N11)12(12stdtdNr112121NdtdNrst1-7Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications r r1212不僅與原子性質(zhì)有關(guān)不僅與原子性質(zhì)有關(guān),

7、 ,而且還與外界輻射場(chǎng)的能量密度而且還與外界輻射場(chǎng)的能量密度 f f（單（單位體積內(nèi)，頻率處于位體積內(nèi)，頻率處于f f附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量）附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量）有關(guān)：有關(guān)： B B1212受激吸收躍遷受激吸收躍遷EinstainEinstain系數(shù)系數(shù). .它只與原子性質(zhì)有關(guān)。它只與原子性質(zhì)有關(guān)。C. C. 受激輻射受激輻射 1 1. . 處于高能級(jí)處于高能級(jí)E2E2的一個(gè)原子的一個(gè)原子, ,在頻率為在頻率為f=(Ef=(E2 2-E-E1 1)/h)/h的光子激發(fā)下的光子激發(fā)下, , 受激的受激的向向E E1 1能級(jí)躍遷能級(jí)躍遷, ,同時(shí)同時(shí), ,放出一個(gè)能量放

8、出一個(gè)能量為為hfhf=E=E2 2-E-E1 1的光子的光子 2.2.受激輻射躍遷幾率受激輻射躍遷幾率frB12121-8Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications 是受激輻射躍遷的是受激輻射躍遷的EinstainEinstain系數(shù)系數(shù) 三三 . .激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件 A .(1) Amplifying Medium (2) Pumping Source (3) Optical Feedback (Cavity) B.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 閾值條件閾值條件: :增益增益= =損耗損耗221211NdtdNrstfrB/2121損耗系數(shù)小信號(hào)增益i2101ln21RRLgi1-9Copyright Wang Yan2022-4-15Optical fiber communications C. C. 相位平衡條件相位平衡條件: :激光器必須工作在諧振腔的工作模式激光器必須工作在諧振腔的工作模式 上。上。 光腔的駐波條件光腔的駐波條件: :在腔內(nèi)形成駐波。在腔內(nèi)形成駐波。nLcqfqnLqLqqq222