《光纖通信與數(shù)字傳輸》課件-14激光器的物理基礎(chǔ)

光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)谑闹v：激光器的物理基礎(chǔ)

1/10一、光纖通信對光源的基本要求光源發(fā)射的峰值波長，應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，即與石英光纖三個(gè)低損耗窗口相適應(yīng)。有足夠高的穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)的光中繼段距離的要求。(入纖功率必須有數(shù)十微瓦至數(shù)毫瓦)有高的電光轉(zhuǎn)換效率，低功率驅(qū)動，長壽命，高可靠性。單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光纜和光纖的耦合效率。易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，以利于高速率大容量的數(shù)字信號的傳輸，溫度特性好體積小，重量輕，便于安裝和使用，也利于光源和光纖的耦合。2/10二、光源器件1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。什么是激光？激光是受激輻射的光放大，是利用物質(zhì)受激輻射原理和光放大過程產(chǎn)生出來的一種特殊光。激光的英文名稱是Laser，它是英語短語“受激發(fā)射光（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）放大”中每個(gè)實(shí)詞第一個(gè)字母組成的縮略詞，它包含了激光產(chǎn)生的由來。激光是一種特殊光，與普通光相比，有以下四個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)高方向性(2)顏色極純-單色性強(qiáng)(3)高強(qiáng)度，高亮度(4)相干性強(qiáng)光纖通信的光源采用的是激光。3/10二、光源器件

光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。

半導(dǎo)體激光器（LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。。4/10三、激光器的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。（1）光子的概念光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。（2）原子能級5/10

物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級。最低的能級E1

稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級Ei（i=2，3，4，…）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級E2躍遷至較低能級E1時(shí)，其能級間的能量差為?E=E2?E1，并以光子的形式釋放出來，這個(gè)能量差與輻射光的頻率f12之間有以下關(guān)系式

ΔE=E2-E1=hf12式中，h為普朗克常數(shù)，f12

為吸收或輻射的光子頻率。當(dāng)處于低能級E1

的電子受到一個(gè)光子能量?E=hf12的光照射時(shí)，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級E2

上去。光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象。（3）光與物質(zhì)的三種作用形式6/10

光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖1所示。圖1能級和電子躍遷（3）光與物質(zhì)的三種作用形式7/10

①在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)）E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收——光電檢測器。②處于高能級E2

上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級E1

上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射——發(fā)光二極管。③在高能級E2上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時(shí)，使電子被迫躍遷到低能級E1

上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射——激光器。注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。（4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大8/10

受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。設(shè)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為N2,在正常狀態(tài)下，N1

＞N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2

＞N1

（高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。高能級低能級圖2正常狀態(tài)的