半导体激光器原理及在光纤通信中的应用上课讲义.ppt

半导体激光器的工作原理及在光纤通信(un xin tn xn)中的应用第一页，共19页。小组(xioz)人员第二页，共19页。1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得(hud)了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。红宝石激光器红宝石激光器第三页，共19页。连续式（功率(gngl)可达104 W）脉冲式（瞬时功率(gngl)可达1017W/cm2）2、按工作方式(fngsh)分类 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质(wzh)中放大或振荡发射的器件。激光器的种类：1、按工作物质分类 固体激光器（如红宝石Al2O3）液体激光器（如某些染料）气体激光器（如He-Ne、CO2）半导体激光器（如砷化镓 GaAs）自由电子激光器激光器激光器第四页，共19页。半导体激光器半导体激光器（Laser Diode)半导体激光半导体激光(jgung)器是向半器是向半导体导体PN结注入电流，结注入电流，实现粒子数反转分布，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激实现光放大而产生激光光(jgung)振荡的。振荡的。光受激辐射、发出激光受激辐射、发出激光光(jgung)必须具必须具备三个要素：备三个要素：激活介质经受激后激活介质经受激后能实现能级之间的跃能实现能级之间的跃迁；迁；能使激活介质产生能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装粒子数反转的泵浦装置；置；放置激活介质的谐放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光进行放大，发出激光(jgung)。第五页，共19页。半导体激光器的工作半导体激光器的工作(gngzu)(gngzu)原理原理第六页，共19页。h初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1受激辐射：在高能级受激辐射：在高能级E2E2的电子，受到入射光的作的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级用，被迫跃迁到低能级E1E1上与空穴复合，释放上与空穴复合，释放(shfng)(shfng)的能量产生光辐射，这种跃迁称为受的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。激辐射。光光子子(gungz)(gungz)的的特特点点：相干光相干光 产生产生(chnshng)(chnshng)激光的必要条件一：受激激光的必要条件一：受激辐射占主导地位辐射占主导地位半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理第七页，共19页。导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常正常(zhngchng)分分布布反转反转(fn zhun)分布分布产生产生(chnshng)激光的必要条件二：粒子数反激光的必要条件二：粒子数反转分布转分布半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理第八页，共19页。光光增增益益(z(znngygy)E EC CE EV V产生激光产生激光(jgung)(jgung)的必要条件三：有光学谐的必要条件三：有光学谐振腔振腔半导体激光器的工作半导体激光器的工作(gngzu)(gngzu)原理原理第九页，共19页。请看半导体激光器产生(chnshng)激光原理动画演示第十页，共19页。半导体激光器基本半导体激光器基本(jbn)(jbn)结构结构1）、同质(tn zh)结半导体激光器 正向(zhn xin)电压V时形成的双简并能带结构PN能带PNPN结结LDLD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作第十一页，共19页。2）、异质(y zh)结半导体激光器 为了获得高势垒为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度要求两种材料的禁带宽度(kund)(kund)有较大的差有较大的差值。值。同质(tn zh)结、异质结结构示意图第十二页，共19页。电信号输入调制光源光放大器光检测器信号恢复电信号输出光发射机尾纤连接器光纤光纤接头盒光耦合器其它设备光接收机光纤接头盒连接器再生中继器尾纤光纤光纤 光纤通信(un xin tn xn)原理光纤通信是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质(jizh)的一种通信方式。图：光纤通信(un xin tn xn)系统的构成第十三页，共19页。光纤通信的基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息(xnx)的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，其中光源是其核心部件，由半导体发光二极管LED（Light Emission Diode）或者激光二极管LD（Laser Diode）构成。LDLD在光纤通信在光纤通信(un xin tn xn)(un xin tn xn)中的应用中的应用低能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h输入光h输出光图：光的受激发射（激光(jgung)二极管）图：光发射模块实物图第十四页，共19页。光纤放大器光纤放大器 光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补(mb)光信号传输一定距离后，因光纤衰减致使的光功率减弱。大功率LD的重要应用就是作为光纤放大器的泵浦光源。光放大器是基于(jy)受激辐射机理来实现入射光功率放大的，工作原理如图：隔离器输入光激活介质泵浦源隔离器输出光图：光放大器的原理(yunl)第十五页，共19页。光纤通信光纤通信(un xin tn xn)为什么选用为什么选用LD？n比较理想的光源。n发出的光：激光，是一种相干光。n发光原理：受激辐射。n优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长(bchng)和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。n实用性：适用于高效率、大容量的光纤通信系统。IF(mA)P(mW)图：LD外形(wi xn)图和输出特性第十六页，共19页。LD在光纤通信在光纤通信(un xin tn xn)中的中的作用作用 1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件(qjin)的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。第十七页，共19页。LD在其他在其他(qt)方面的应用方面的应用 半导体激光器还广泛应用于电子元器件、手机通讯、钟表眼镜、汽车摩托车配件、塑料按键、五金、餐具、五金工具、仪表、卫浴洁具、医疗器械、工艺品、PVC管材、家用电器(ji yn din q)、标牌和包装等行业。图为在线打标(d bio)装置第十八页，共19页。第十九页，共19页。