光纖通信第二章1-光源

1、北京郵電大學(xué)顧畹儀1北京郵電大學(xué)顧畹儀2北京郵電大學(xué)顧畹儀31、光的吸收和放大光的吸收和放大1）能級(jí)和能帶）能級(jí)和能帶2）能級(jí)的光躍遷）能級(jí)的光躍遷3）光的吸收和放大）光的吸收和放大2、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成1）晶體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布）晶體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布2） PN結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成北京郵電大學(xué)顧畹儀4北京郵電大學(xué)顧畹儀5北京郵電大學(xué)顧畹儀6Rsp = rspN2 = N2/ sp 無(wú)外界作用，自發(fā)光躍遷；無(wú)外界作用，自發(fā)光躍遷； 獨(dú)立、自發(fā)發(fā)射，非相干光；獨(dú)立、自發(fā)發(fā)射，非相干光；北京郵電大學(xué)顧畹儀7 光光子與感應(yīng)光子是相干的，為子

2、與感應(yīng)光子是相干的，為全同光子；全同光子；光得到放大。光得到放大。 3233( ), ( )8steststspCRW NWBn h 北京郵電大學(xué)顧畹儀81stastRW N北京郵電大學(xué)顧畹儀9（3）光的吸收與放大）光的吸收與放大設(shè)光波頻率為設(shè)光波頻率為 ，光強(qiáng)為光強(qiáng)為I ，經(jīng)過原子煤質(zhì)經(jīng)過原子煤質(zhì) , 發(fā)出光能發(fā)出光能: , 吸收光能：吸收光能：?jiǎn)挝惑w積中的凈功率：?jiǎn)挝惑w積中的凈功率：2stestRW N1stastRW N21ststW N hW N h21()stNN W h北京郵電大學(xué)顧畹儀10InCNNdzdIhnCBWncIhWNNdzdIspspstst22212333128)(

3、)(8)()()()(是能量密度北京郵電大學(xué)顧畹儀11spznCNNeIzI22212)(8)()()0()(2121() /21, () 01EEK kNNNeN 吸收媒質(zhì)吸收媒質(zhì) 熱平衡狀態(tài)21, ( ) 0NN 放大媒質(zhì)放大媒質(zhì) 粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分布，布居翻轉(zhuǎn) 對(duì)應(yīng)激光放大狀態(tài)北京郵電大學(xué)顧畹儀122、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成1) 晶體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布：晶體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布：()/1( )1fE EkKf Ee北京郵電大學(xué)顧畹儀13北京郵電大學(xué)顧畹儀14禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶EfEfEfEfVEfC(a) 本征半導(dǎo)體(a) 本征半導(dǎo)體(d) 雙兼并型半導(dǎo)體(

4、d) 雙兼并型半導(dǎo)體(b) 兼并型(b) 兼并型P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(c) 兼并型(c) 兼并型N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體北京郵電大學(xué)顧畹儀152） PN結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成PN結(jié)結(jié)北京郵電大學(xué)顧畹儀16EPN結(jié)結(jié)的的能能帶帶北京郵電大學(xué)顧畹儀17加正向電壓(e0V De0VEg)PN結(jié)的能帶圖對(duì)光子能量滿足： Eg h e0V 有光增益北京郵電大學(xué)顧畹儀18北京郵電大學(xué)顧畹儀19北京郵電大學(xué)顧畹儀201.24 ( m)= ()Eg eV ghE北京郵電大學(xué)顧畹儀21()21thLeR22212( )()( )8spCNNgn 北京郵電大學(xué)顧畹儀22北京郵電大學(xué)顧畹儀23（2）F

5、-P腔激光器的分類腔激光器的分類v按制作激光器的材料分類按制作激光器的材料分類: 短波長(zhǎng)(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.3 m1.55 m) ，采用InGaAsP/InPv按垂直于按垂直于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類： 同質(zhì)結(jié) 單異質(zhì)結(jié) 雙異質(zhì)結(jié) 雙異質(zhì)結(jié)的作用雙異質(zhì)結(jié)的作用: 帶隙差對(duì)載流子有限制作用; 折射率差對(duì)光子有限制作用 北京郵電大學(xué)顧畹儀24北京郵電大學(xué)顧畹儀25v按平行于按平行于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類 寬面寬面LD （沒有導(dǎo)向）（沒有導(dǎo)向） 條形條形LD：臺(tái)面條形臺(tái)面條形 平面條形平面條形 （SiO2條形，質(zhì)子轟擊條形，條形，質(zhì)

6、子轟擊條形， Zn擴(kuò)散條形等）（增益導(dǎo)向）擴(kuò)散條形等）（增益導(dǎo)向） 隱埋條形隱埋條形 （折射率導(dǎo)向）（折射率導(dǎo)向）北京郵電大學(xué)顧畹儀26 在整個(gè)PN結(jié)面積上均有電流通過的結(jié)構(gòu)是寬面結(jié)構(gòu)；只有PN結(jié)中部與解理面垂直的條形面積上(10 m左右)有電流通過的結(jié)構(gòu)是條形結(jié)構(gòu)。 條形激光器主要優(yōu)點(diǎn)是閾值電流低，發(fā)熱少，利于散熱，可以改善光譜特性。但受條寬限制不宜作大功率輸出。北京郵電大學(xué)顧畹儀27北京郵電大學(xué)顧畹儀282、量子阱激光器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有源區(qū)非常薄結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有源區(qū)非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半導(dǎo)體激光器是一種窄帶隙有源層夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長(zhǎng)，有源層厚度小至

7、德布羅意波長(zhǎng)量級(jí)的新型半導(dǎo)體激光二極管。性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 閾值電流低,輸出功率高 譜線寬度窄，頻率啁啾改善 調(diào)制速率高北京郵電大學(xué)顧畹儀29北京郵電大學(xué)顧畹儀30北京郵電大學(xué)顧畹儀31 布拉格反射條件：布拉格反射條件： n(D + B) = m nD(1 + sin ) = m 2 nD= m m=1,2,3,布拉格反射原理布拉格反射原理北京郵電大學(xué)顧畹儀32北京郵電大學(xué)顧畹儀33v 單縱模振蕩單縱模振蕩v 線性度好線性度好v 線寬窄線寬窄：布拉格反射可比作多級(jí)調(diào)諧，使諧振波長(zhǎng)的：布拉格反射可比作多級(jí)調(diào)諧，使諧振波長(zhǎng)的選擇性大為提高。選擇性大為提高。v 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好：因?yàn)楣鈻庞兄阪i定

8、在給定的波長(zhǎng)上，使：因?yàn)楣鈻庞兄阪i定在給定的波長(zhǎng)上，使其溫度漂移很小。其溫度漂移很小。v 動(dòng)態(tài)譜特性好動(dòng)態(tài)譜特性好：高速調(diào)制下也保持單模振蕩，雖然動(dòng)：高速調(diào)制下也保持單模振蕩，雖然動(dòng)態(tài)譜寬度要比靜態(tài)譜寬展寬，但較態(tài)譜寬度要比靜態(tài)譜寬展寬，但較F-P腔腔LD展寬小得多。展寬小得多。北京郵電大學(xué)顧畹儀34 1. 1. 閾值特性閾值特性 2. 2. 效率效率 3. 3. 溫度特性溫度特性北京郵電大學(xué)顧畹儀350/exexexphpI eIV2expjspV II RrinrrRRR北京郵電大學(xué)顧畹儀36000()/()/()/()exthexDththDexthpphphIIeIIehpIIe北京郵電大學(xué)顧畹儀37隨溫度升高：隨溫度升高： 閾值電流增加閾值電流增加 外微分量子效率下降外微分量子效率下降 峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方 向移動(dòng)向移動(dòng) -0.50.51.52.53.54.55.502