有源光器件和无源光器件课件

第三章主动光学器件和被动光学器件1。学习交流PPT，光学有源器件定义：光电器件半导体光源(LD，发光二极管，DFB，QW，SQW，VCSEL)半导体光检测器(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，2，学习交流PPT，光学无源器件，定义：光学电子器件光纤连接器(固定，有源，光纤通道/个人计算机，光纤通道/有源通道)光纤定向耦合器/分支光添加带阻)光隔离器和循环器(偏振相关，独立)光偏振状态控制器，光延迟线，光纤光栅，3，学习交流PPT，光学器件和电气器件的模拟，4，学习交流PPT，光波长转换，光放大DWDM光色散补偿光隔离器光循环器，光波长转换OADMDWDM光隔离器光循环器光开关，可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光调制和解调，光器件应用，5，学习交流PPT，光器件的分类， 光电转换器件光开关和调制器件光放大器器件光色散补偿器件光网络器件，6、学习交流面发射激光器，光电转换器件，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)外腔激光器和Q开关激光发光二极管(发光二极管)光纤激光器(OFL)垂直腔面发射激光器(ECSEL)多波长光源和波长可调谐激光光电探测器(PD，PIN，APD)，7、学习交流面发射激光器，光调制器件， 调幅机械调制电光调制直接调制电吸收光调制相位调制偏振调制电光集成芯片OEIC光子集成芯片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补偿色散补偿单模光纤色散补偿色散补偿光纤模块光放大器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)、光连接器和光耦合器、光隔离器和光环行器、光滤波器和光波分复用设备、光偏振器和偏振控制器、光波长转换和光波长路由设备、光调制解调器、光衰减器和光延迟设备、光开关和光交叉连接设备、微型光机械芯片、10、学习交流PPT、光放大器设备、掺铒光纤放大(EDFA)、掺镨光纤放大(PDFA)、掺钕光纤放大(NDFA)， 分布式光纤放大拉曼光纤放大(SRFA)、布里渊光纤放大(SBFA)、半导体光放大(SOA)、11、学习交流PPT、组件、器件、模块、系统、12、学习交流PPT、第三章有源和无源光器件、3.1激光原理基础知识、3.2半导体光源、3.3光电探测器、3.4无源光器件、13、交流PPT基础知识、3.1激光、3.1.1玻尔能级假设、3.1.2光子、3.1.3自发辐射、受激吸收其中E2和E1是跃迁前后的原子能级，h是普朗克常数，是电磁辐射，3.1.1玻尔能级假说，h=6.626110-34J，最低能级称为基态能级，其他较高能级称为激发态能级。 如果原子来自E2E1，E=E2E1，这个差E将以量子能量的形式释放出来，这叫做光子。光子的能量Ep由以下公式定义：Ep=h(3.1.3-1)h是普朗克常数(h=6.62610-34j)，是光子的频率。从高能级到低能级，原子相当于光子辐射。从低能级到高能级的原子对应于光子吸收。学习如何与高能级原子的自发辐射进行交流一个频率为、能量为e的光子跃迁到低能级，这个过程称为自发辐射。这是不同相位的非相干光，3.1.3自发辐射的刺激辐射和受激吸收，3.1.4.1自发辐射)，17，学习交流PPT，3.1.3.2受激辐射。在能量为e的入射光子的激发下，原子从高能级跃迁到低能级，并发射出与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向相同的另一个光子。这个过程被称为受激辐射。18、学会交流PPT，外来的光也可能被低能级吸收，使原子脱离E1E2.受入射光子的激发，原子从低能级跃迁到高能级，这被称为受激吸收。3.1.3.3刺激吸收)，19，学习交流PPT，自发辐射是单向的；受激跃迁是双向的；自发辐射的概率与光强无关。激发跃迁概率与光强成正比。自发辐射与受激辐射和吸收的区别：20，学习交流PPT，3.1.4粒子数反演。在热平衡中，每个能级的粒子数遵循玻尔兹曼统计分布：即如果E2E1，两个能级上的原子数之比，k=1.3810-23J/K是玻尔兹曼常数，21，学习交流PPT，粒子数反转(N2N1)是激光放大的必要条件。为了实现粒子数的反转，大量的电子需要跃迁到导带，因此，需要泵浦来为跃迁提供能量。此外，亚稳态能级也是保持受激电子一段时间以形成粒子数反转所必需的。22，学习交流PPT，例如t 103kkT 1.3810-20J 0.086 eV；在可见光和近红外，例如=高压=E2-E1 1ev；这表明基态的粒子数量最多。这时，受激辐射概率，受激吸收概率，不能产生光放大。如果激光二极管发出的红光波长=650纳米，单个光子的能量是多少？解决方案：EP=h=HC/=6.610-34js3108m/s/65010-9m=3.0410-19j，2，LD波长=650nm，光能P=1mW，该光源每秒发射多少光子？解答：总能量E=P1S=110-3WS=110-3J该能量等于E=EpN，其中N是光子数。所以n=e/EP= 110-3j / 3.0410-19j =3.31015，即3.3亿。24，学会交流PPT，25，学会交流PPT，3.2半导体光源，3.2.1半导体激光器特性和应用3.2.2半导体激光器(LD)3.2.2发光二极管(发光二极管)，26，学会交流PPT，3.2.1半导体激光器特性和应用，半导体激光器是一种通过受激辐射产生光的器件。受激辐射的特征：外部光子迫使具有相似能量e的光子发射；所有激光光子的发射方向与激发它们的光子相同。激光光子只有在被外来光子激发时才辐射同步。形成正反馈的方法是用两个反射镜和光栅组成谐振腔。激光光子的快速增加需要导带中大量受激电子来维持这一动态过程。因此，激活电子需要比发光二极管快得多的速度，并且需要粒子数反转。为了实现粒子数的反转，有必要增加有源区的正向电流。为了让激光二极管发光，增益必须大于损耗。综上所述，半导体激光器的激射条件有：粒子数反转的受激辐射正反馈、28、学习交流PPT、半导体激光器的特性、半导体激光器的应用、大输出功率(kW)、窄光谱宽度(0.01pm)、高偏振、长相干长度、小输出NA(光容易耦合到光纤)、光纤通信、医学、测量、加工和军事等。，29，学习交流光子晶体光纤激光器，3.2.2半导体激光器，FP-LD-法布里-珀罗激光器，分布反馈激光器，DBR-LD-分布反射激光器，QW-LD-量子阱激光器，30，学习交流光子晶体光纤激光器，法布里-珀罗激光器，“著名”的多纵模(MLM)光谱半导体激光器首次用于光纤链路(850或1300纳米)。今天，3:用于短或中等长度光纤链路。主要性能指标主要用于波长为850或1310纳米、总输出功率大于几毫瓦、光谱宽度为3-20纳米、高偏振相干长度为0.7-2纳米的n a(光容易耦合到光纤中)，以及小的NA(光容易耦合到光纤中)，峰值，I (ma)，p (mw)，阈值，(nm)，31。学习通信芯片的结构，芯片的原理图，32。学习通信的工作原理。要实现飞秒激光，必须满足几个基本条件：必须有一种物质能够实现电子和光场的相互作用；应该有一个泵源来注入能量。应该有一个F-P共振腔；增益必须大于损耗，以满足振荡条件： =2nl/n，其中l是镜面间距，n是整数，n是谐振腔中的折射率，是光的波长。a)用于任意波注入的FP-LD，b)用于驻波注入的FP-LD，33，学习交流PPT，例如：如果L=0.4mm=400m，n=1且=1300nm=1.3m，则N=615谐振器支持1300nm=2nL/N，但它也支持2L(N1)、2L(N2)等波长。这些谐振器选择的波长称为纵向模式。当谐振器的长度增加或减少时，激光器从一个纵向模式切换到另一个，这被称为模式跳跃。因为=2nL/N，两个相邻纵向模式之间的间隔Nn12nL/N2=2/2nL，34，学习交流PPT，1，增益必须大于损耗：激光发射条件，2，有源介质只能在非常小的波长范围内提供增益(50dB相干长度约为1至100 m小n a(光容易耦合到光纤中)，37，学习交流PPT，为了减小线宽，激光管只需要发射一个纵向模式。分布式反馈激光器实现了这一功能。它在有源区附近的异质结中加入一个光栅，其工作原理类似于反射镜，但它只选择反射波长为 b的光，2neff=B，“反馈”指的是；将激光接收器返回到有源介质；“分配”是指；反射不仅仅发生在一个点上。它于20世纪60年代提出，并于20世纪80年代商业化。改进方案：DBR，38岁，学习交流PPT，a)分布式反馈激光器，b)分布式反馈工作原理，c)实际单模辐射，39岁，学习交流PPT，交替层半导体材料40-60的分布式布拉格反射镜(DBR)，l/4光束与每层厚度的匹配更接近主要性能指标波长范围780-980纳米(千兆位以太网)-10微米谱线宽度和相干长度10-10纳米0.2-0.3，40。学习交流PPT为了提高发射效率，使用特殊的制造技术来获得特别薄的有源区(4纳米至20纳米)，称为量子阱(QW)激光器。a)单量子阱激光器，41，学习交流PPT，MQW激光器是一种异质结半导体激光器，具有超薄薄膜(厚度20nm)以形成能呈现量子效应的有源层，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在活性层中的运动是三维的。当有源层的厚度减小到20纳米并且接近电子的自由路径时，电子不能在该层的厚度方向上自由移动，而只能在该层中横向移动。电子的能量变成离散值，即呈现量子效应。有源层由多个薄层组成。由于载流子和光子被限制在薄层中，很明显载流子和光子是集中的，所以激光很容易发生。MQW-LD，42岁，学习交流PPT，MQW激光的优点：(1)阈值电流小。由于其结构中的“陷阱”效应，电子和空穴被限制在非常薄的有源区中，导致有源区中粒子数反转的高浓度，从而大大降低了阈值电流。由于阈值电流的降低，它还带来了低功耗和良好的温度特性的优点。(2)线宽变窄。由于量子阱中的带间复合工作频段可达30千兆赫。(5)频率啁啾小，动态单纵模好，纵模控制能力强。43、学习交流PPT、3.2.3发光二极管、面发射发光二极管、侧发射发光二极管、超发射发光二极管，主要性能指标为44、学习交流PPT、3.2.2发光二极管，具有体积小、机械强度高、寿命长、电压低、电流小(几毫安或几十毫安)、功耗低、响应速度快、电流调制方便等特点。由于它要求低电压，可以与集成电路或晶体管共享电源，或者直接用晶体控制其发光，并且可以方便地与光纤耦合，所以在光纤通信领域得到了广泛的应用。，45，用于光纤通信的学习交流PPT、发光二极管结构和发光二极管通常由基于GaAs的GaAs或铝镓砷和基于铟磷的铟镓砷或铟镓砷材料制成。由AlGaAs/GaAs制成的LED的峰值发射波长在0.8-0.95 m的范围内，由InGaAs/InP制成的LED的峰值发射波长是1.31m和1.55 m。为了使LED发光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，并且穿过带隙的电子和空穴可以直接结合以发射光子。为了使器件具有良好的光和载流子限制，通常采用双异质结结构。46，学习交流PPT，表面发射同结，发光二极管的基本类型，图3 . 2 . 21 led结构截面图，分为：表面发射SELED，边缘发射ELED和超辐射SLD。这是前两个。1。表面发射发光二极管，发光条件：产生光子的地方(有源区)；谐振器(上限和下限)限制了载流子和光子的路径。特点：驱动电流大，光输出功率高，温度特性好；带宽很小。47、学会交流PPT，光条件：光子产生的地方(活动区)；谐振腔的侧面限制了载流子和光子的路径。光纤通信中使用的发光二极管大多采用侧发光二极管。由于边发射发光二极管与激光管结构相似，所以与光纤的耦合效率更高，带宽更宽，线宽更窄。2.发光二极管48。学会交流。发光二极管和二极管之间的光源。在高电流强度下，有源区由双异质结结构形成。然而，单反没有正反馈，只能自发发光。因此，SLD具有比普通LED更强的功率和更好的清晰度，但在单色性、方向性和相干性方面不如LD。SLD很少用于光通信，主要用于宽带测量光源。2、超级发光二极管(SLD)，