光子学基础—第三章

1、上海大学通信与信息工程学院2013年10月受激辐射理论受激辐射理论激光振荡激光振荡原理原理激光泵浦技术激光泵浦技术激光谐振腔激光谐振腔典型激光器典型激光器激激光的性质光的性质光纤放大器（选学）光纤放大器（选学）激光是激光是20世纪的重大发明之一世纪的重大发明之一 激光（激光（LASER）：辐射的受激发射光放大）：辐射的受激发射光放大（Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation）。）。 激光的优点：高亮度、单色性好、高度相干性、激光的优点：高亮度、单色性好、高度相干性、方向性好等方向性好等 激光应用：工业、通信、医学、军事、科学研激光应

2、用：工业、通信、医学、军事、科学研究等。究等。 两个定态两个定态 基基 (低低) 态态E1和激发和激发 (高高) 态态E2。 自发辐射自发辐射 若原子处于态若原子处于态2，通过自发辐射回到基态，通过自发辐射回到基态1，同时发出一个频率为同时发出一个频率为 21(E2E1 =h 21)的光子。的光子。 受激吸收受激吸收电子吸收大于或等于电子吸收大于或等于 h 12 的能量，由态的能量，由态1态态2 的受激吸收跃迁到高能态的过程。的受激吸收跃迁到高能态的过程。 受激辐射受激辐射 爱因斯坦认为仅仅根据上述两种过程的平爱因斯坦认为仅仅根据上述两种过程的平衡是导不出普朗克公式的，因此他天才地引入第三个衡

3、是导不出普朗克公式的，因此他天才地引入第三个即即“受激辐射受激辐射”过程。从而导出普朗克公式。同时，过程。从而导出普朗克公式。同时，他的他的 “受激辐射受激辐射”理论也为人们接受。但他自己没有理论也为人们接受。但他自己没有想到，在他死后想到，在他死后”受激辐射受激辐射“理论导致了激光的发明。理论导致了激光的发明。 按照现代按照现代Bohr原理原子能级间存在吸收、自发辐射与原理原子能级间存在吸收、自发辐射与受激辐射这三种跃迁。但是在受激辐射这三种跃迁。但是在1905年爱因斯坦当初提年爱因斯坦当初提出时，出时， 并未被人们普遍认识。并未被人们普遍认识。吸收吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射光的自

4、光的自发辐射发辐射Ec cEvh h 光的受光的受激发射激发射Ec ch Evh 输入输入输出输出(a) 光的自发辐射光的自发辐射 ( (Spontaneous Emission) )(b) 光的受激发射光的受激发射 ( (Stimulated Emission) )Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入( (输出电流输出电流) )(c) 光的吸收光的吸收 ( (Absorption) )(hv=Ec-Ev) 爱因斯坦证明普朗克辐射公式爱因斯坦证明普朗克辐射公式 考虑原子系统有二个能级，基态1和激发态2。在爱因斯坦之前，人们认为在人们认为在E2和和E1两能级之间只

5、存在两能级之间只存在两个动作即自发（下标两个动作即自发（下标SP）辐射跃迁）辐射跃迁2 1和受激和受激 ( ST ) 吸收跃迁吸收跃迁1 2。图3.1二能级跃迁图2E1Eststsp 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射的跃迁几率自发辐射的跃迁几率A21 表示从态 2 向下自发跃迁到态 1 的几率，即态 2 的单位体积 粒子数 n2 的减少率 -d n2 /d t 等于n2A21故有： 可以定义自发跃迁寿命自发跃迁寿命 为态 2的粒子数密度下降到初始值的1/e的时间, 即 spdtdnnA22211spt211Atsp 受激吸收跃迁受激吸收跃迁在外场（辐射能量密度为()）的作用下，从基态1的粒子

6、受激 (st) 跃迁到激发态 2 的几率为： 如果仅仅存在自发辐射跃迁和受激吸收跃迁这两个动作，是导不出普朗克公式的，读者可作为习题自行证明之。爱因斯坦认为应当存在第三个动作爱因斯坦认为应当存在第三个动作-受激辐射受激辐射跃迁跃迁。 12st12BW 受激辐射跃迁受激辐射跃迁在外场辐射能量密度也是()的作用下，处在 E2 的粒子受外场的诱导而跃迁到 E1, 那么由2 1的受激( st )辐射跃迁几率为： 式中B12, B21 为二个待定系数。 21st21BW 在平衡态的情况下，由21的粒子数一定等于由12的粒子数，所以可得爱因斯坦三个动作之间的平衡方程： 式中n1，n2表示处于E1 ，E2态

7、的粒子数密度。 在动态平衡时，原子系统中能级E2和E1的粒子数密度 n2和 n1分布服从玻尔兹曼(Boltzmann)分布定律： 两式联立得： 12121212BnABnTkhnnBexp12 211221expBTkhBAB 与在温度 T 下，黑体辐射的普朗克能量密度公式比较得： 由此爱因斯坦认为, 当且仅当当且仅当：B12B21 A21 / B21 = 8n3h3 / c3二式成立时，爱因斯坦三个动作的理论就成立，这就证明受激辐射的存在。 211221333exp1exp8BTkhBATkhchnBBp 在二个能级之间，只有存在自发辐射，受激吸收和受激辐射三个动作并达到平衡时，爱因斯坦的辐

8、射公式才与普朗克的黑体辐射定律一致。 因为普朗克黑体辐射定律是不容怀疑的，为无数的实验所证明，那么爱因斯坦的受激辐射原理也是正确无疑的。l自发辐射跃迁自发辐射跃迁n自发辐射的跃迁几率自发辐射的跃迁几率A21 自发跃迁寿命自发跃迁寿命 A21表示从态表示从态 2 向下自发跃迁到态向下自发跃迁到态 1 的几率，即态的几率，即态 2的单位体积的单位体积 粒子数粒子数 n2 的减少率的减少率 -d n2 /d t 等于等于n2A21故有：故有：n可以定义自发跃迁寿命可以定义自发跃迁寿命 为态为态 2的粒子数密度下降的粒子数密度下降到初始值的到初始值的1/e的时间的时间, 即即 spt211Atspsp

9、tndndtAdtdnnAsp2122211tAnn21202exp 黑体辐射条件下，发光光谱非常宽，因此在某一波长附近d之内光谱的辐射强度可以认为是恒定的，所以可认为是白色光谱(如下图示)。 此式表示在白色光谱下白色光谱下, 且在单位频率能量密为()的外场作用下，每个原子的受激跃迁几率。 pspthncW333218得：代入坦关系式化成将爱因斯21333333212188WthnchncABsppp在d附近是白光谱原子发光之单色光谱强度g() 在光子学中，我们更关心的是在频率为 的单色光场单色光场所激发的跃迁几率 。在某一单色频率 作用下，原子系统受激跃迁的几率应当与原子光谱的线形函数g(

10、)成正比。因为在 附近( )看作是恒定的，即( ) = ，这样在 附近的变化可以用来表示，所以单色场激发下的原子跃迁几率表为: pgthncWspi333218 gi21W 又因为光强是通过单位面积的功率( 瓦 / 米2 ) 故有 受激辐射的跃迁几率受激辐射的跃迁几率式中，上标 i 表示感应跃迁。 pgthnIcWspi322218ncI 粒子的简并度粒子的简并度 从上述公式的推导中中，可以导出受激辐射系数与自发辐射几率之比， 那么在受激辐射模式中受激辐射几率与自受激辐射模式中受激辐射几率与自发辐射几率之比发辐射几率之比，即粒子的简并度粒子的简并度为 1exp12121mod2121TkhqA

11、BAWBi33321218phncAB光子简并度光子简并度 每个模的平均粒子数 即为：太阳的光子简并度太阳的光子简并度 太阳表面温度(6000K)，太阳光的平均波长为500nm，试求光辐射的光子简并度。代入上式得：=8.2910-3尽管太阳非常明亮，但每个模的光子简并度,却非常之低。激光的光子简并度激光的光子简并度 He-Ne激光器，输出波长为632.8nm的单色光，假定只有一个模式，输出功率仅1毫瓦。则光子数 N=为：激光器的光子简并度远远大于热光源，所以有人说激光比太阳还亮。激光器的光子简并度大，亮度高，光强度也大，是一个十分重要的特点。11expTkhhEqB151018. 3/sec1

12、1hmWN小结小结 自发辐射是光子在频率、相位、方向、偏振上都是各自自发辐射是光子在频率、相位、方向、偏振上都是各自无关地随机发射。如果把原子系统比作一个交响乐队，无关地随机发射。如果把原子系统比作一个交响乐队，那么，自发辐射过程就象各个乐师正在各自调音，发出那么，自发辐射过程就象各个乐师正在各自调音，发出的是一片噪声，杂乱无章不堪入耳。用光子学的语言说：的是一片噪声，杂乱无章不堪入耳。用光子学的语言说：自发辐射是原子无序的非相干辐射，是噪声自发辐射是原子无序的非相干辐射，是噪声。 受激辐射则完全不同，当原子系统与外部的电磁辐射相受激辐射则完全不同，当原子系统与外部的电磁辐射相互作用、相互感应

13、形成同频率、同位相、同偏振、同辐互作用、相互感应形成同频率、同位相、同偏振、同辐射方向射方向 (俗称俗称 “四同四同”) 的受激跃迁。的受激跃迁。 受激辐射好象是受激辐射好象是乐队在乐队指挥乐队在乐队指挥(外部辐射外部辐射)下，交响乐队发出悦耳的和下，交响乐队发出悦耳的和谐的音乐一样。谐的音乐一样。受激辐射是原子有序的相干辐射受激辐射是原子有序的相干辐射。激光原理示意图外来的单色电磁波进入粒子数密度分别为n2， n1的激光介质时，将有 个粒子从 2 到 1，同时有 个粒子从 1 到 2。于是单位体积内产生的光功率： 电磁波在激光介质中传播，光强随距离z的变化为：将上式对 z 积分得： iWn2

14、12iWn121)(122112iiiiWWWhWnnVP zeIzI0 pItngcnndzdIsp222128)(dzI单位时间和单位体积内指数增益系数指数增益系数在激光棒中，光强呈指数形增长。粒子数反转粒子数反转从上式可以清楚看出当所以，只有在粒子数反转时, 才能获得激光增益。这是产生激光的必要条件。 pgtncnnsp222128)(001212nnnn 0粒子数反转粒子数反转 增加随着在zeIzIz 0红宝石晶体的增益在 65. 110105exp010105,102)/(2,2/2/,77. 1,6943. 0103/105/104 . 2%5 . 0212011022083171

15、231933232IdIcmdcmHzggLorentznAtcmnncmCrCrOCrOAlsp则有，若激光棒长为公式得代入时，当即线型认为红宝石光谱为。在常温下，反转：数，通过光泵浦达到粒子原子个晶休中约含为激光工作离子。，重量的晶体中添加pp = 694.3nm(续上题)假设激光棒直径为 10mm 激光束从中央轴线来回反射十次之反溢出端面。试光束的发散角?和激光棒的放大增益?解 光束角为增益dBcmcmGGmmmm7 .21100105explog10286. 0180100105tan12p三能级系统三能级系统。E1是基态，所以 n1 是一个大数。只有将 n1 的50%以上泵浦到 n2

16、 才能实现 n2 n1的。三能级系统一般只产生脉冲激光。2E1E3E13h21h三能级系统.sec103ct无辐射跃迁无辐射跃迁E3E2E1sec107t 四能级系统四能级系统 吸收带为E3，基态为E0，激光生于E2E1。它的优点在于按玻尔兹曼分布律，n1 基本上是空基本上是空态态。因此，要实现 n2 n1是相当容易的。可实现连续波输出。3E2E1E0E03h21h四能级系统非平衡态过程非平衡态过程在平衡态下，原子能级的粒子数密度按玻尔兹曼分布律。必然，上能级的粒子数密度低于下能级的。因此，要达到产生激光的必要条件-粒子数反转粒子数反转，就必须采用泵浦技术来打破平衡状态，达到上能级粒子数密度超

17、过下能级。所以，激光是一个非平衡态过程。泵浦的两种主要方式泵浦的两种主要方式(1) 光泵浦光泵浦 激光介质吸收外部泵浦光的能量，达到粒子数反转。(2) 电泵浦电泵浦 I. 气体激光器 在高电场作用下，高速的电子碰撞原子使气体离化而激发，达到粒子数反转。 II. 半导体激光器 在正向注入下，使导带充满电子，价带充满空穴，当电子与空穴复合时, 发出激光。关于泵浦技术请参看有关激光参考书。球形聚光腔，腔体内表抛光并镀金。早期的红宝石固体激光器(第一个激光器)就是采用球形聚光腔。在球体内两共轭的位置分别放置泵浦灯和激光棒。椭圆柱形聚光腔 内腔壁抛光并镀金在椭圆的两个焦点位置分别放置泵灯和激光棒，因此泵

18、灯发出的光线全部聚焦于激光棒上。 激光谐振腔激光谐振腔 激光谐振腔与微波腔不同，它是开放腔。开腔(如F-P腔)的目的是为了大大的减少腔模。 F-P 腔中只有与腔镜垂直的少数横模能够存在。形成驻波的条件是腔长必须等于半波长的整数倍 其中m是一个正整数。 所以(两边公乘以 k)或谐振频率为： dcm2dppmkdd22/ md 相位延迟相位延迟 光在平面镜之间来回反射，透射光线A1 , A2 之间光程的相位延迟为：(是光线在折射率 n 的介质中的内入射角)之间的光程差为：因此，相位差为 ：21, AAcos2dBCABLppcos42ndLniA321BBB4321AAAA0CBA nndDFn*

19、AD = n*CF 透射波的复振幅透射波的复振幅 r 为反射系数，t 为透射系数，r、t 对应于光线从 n到 n ，r、t对应于光线从 n到 n。各透射波有： A1=t tAi , A2=t tr2eiAi , A3=t tr4e2iAi , 对所有的透射波的振幅 A 相加，总透射波的复振幅为 对括号内的无限级数求和：推导上式时利用了r= -r ，R= r2 = r2 , T= tt，及r2+tt=1iiitAerert tA2421iitATARe1 反射波的复振幅反射波的复振幅 对无穷级数求和得iiiirrAerererttrABBBA2423211或iiirAReARe11 透射光强透射

20、光强表示为：(不考虑系统损耗时R+T=1) 反射光强反射光强的表达式2sin412sin4222*RRRAAAAIIiirrir2sin411222*RRRAAAAIIiittitF-P 谐振腔的透射与反射曲线谐振腔的透射与反射曲线反射曲线p2212/12/12pm 纵模间隔纵模间隔-自由光谱区自由光谱区当 ，(m为正整数），透射率就等于 1。因此，利用此关系式可求出透射率为极大时的光频率 ，则相邻透射峰之间的光频差： 在光学中在光学中 称为称为自由光谱区自由光谱区。 半导体激光器一般用 F-P腔作为激光谐振腔,这种器件称为半导体激光二极管(FP- LD)。 就是正入射 时，用 F-P腔作激光

21、谐振腔的纵模间隔。ppmnd2/cos4)cos2/(ndmcmcos21ndcmm0 F-P谐振腔的谱线宽度和精细度谐振腔的谱线宽度和精细度谱线宽度谱线宽度 是透射率下降到透射峰值的一半时，谱线两边频率之差 ，(即透射率公式分母成)其中 为谱线两边半功率点的 值，通常半功率点之间的相差远小于自由光谱之间的相差即因此利用 (sinxx)，有精细度精细度 F 定义为 的一倍与自由光谱区相差之比，故有2/1RRm4122sin22/12p2/1pp m22/1RRm/122/1ppm22/1p2RRF1p1. 设计一个窄线宽的干涉滤波器 要求滤波器的工作波长=1550nm，自由光谱区，半高度全宽

22、，试设计滤波器的主要参数。 求精细度F 求 F-P的间隔距离 d (腔内为空气n=1，正入射 ) 求反射膜的 R nm10nm8 . 022/125/2/1Fcos22ndcc0米012. 0)2/(2dRRF1p4222122222FFRppQ值值 谐振腔损耗沿用Q值。另定义谐振腔的寿命即谐振腔中储 存的腔模能量E下降到1/e的时间-光子寿命 tc 。 腔的单程损耗腔的单程损耗L 光在腔内每通过一次光强损失的百分数为 L，谐振腔长度 为 d，穿过d的时间为nd/c, 所以，损耗率为： 所以 光子寿命光子寿命 tc 21QctEdtdEndcLcndLcLndtcndcLdtdEE1如果谐振腔

23、二镜面的反射率 R1 和 R2，腔内激光工作物质的损耗系数为，则单程损耗为 ：于是光子寿命可表为： 谐振腔的 Q 值的原始定义为其中 E 是腔的储能，P 是腔耗散的功率)1 (ln2121RRdcndRRdcndtcdtdEEPEQ) 1(21 RR2121lnRRdLRReedL将 代入上式得：光学谐振腔的频响曲线的半宽：当腔内介质的指数增益系数与损耗平衡时，得激光阈值振荡条件激光阈值振荡条件：ctQctQp212121ln1RRdthctEdtdERCL串联共振电路的Q值RLQIRPILEPEQ222121消耗功率储能- 这是一个迄今仍然非常重要的激光器。 激光的工作离子是三价的钕(Nd3

24、+)离子，它均匀地掺杂于钇铝石榴石晶体 ( YAG = Y3Al5O12 )中。 它是一个典型的四能级系统。产生1.064m的红外光线其下能级是4I11/ 2，上能级是4F3 / 2 。显然，下能级4I11/ 2比基态4I9 / 2 高很多，所以4 I11 / 2基本上是一个空态。 Nd 3+ : YAG激光器是世上第一个实现固体连续发光的激光器件，发出 1.064m的连续近红外激光。YAGNd:3YAGNd:3的能级图YAGNd:3 典型的四能级系统 光泵浦 产生1.064m的红外光线 上能级是4F3 / 2 下能级是4I11/ 2 是一个空态 基态4I9 / 2 激光器的典型结构YAGNd

25、:3早期红宝石激光器结构图红宝石激光器结构图-气体激光器的能级图eeNH气体激光器NeHe He-Ne激光器是最早研究成功的气体激光器，发明于1961。- He-Ne的泵浦过程是通过放电使Ne成为激发态离子。 首先，是把电子e 通过电场加速使电子激发到高能态e * ，然后 e *与He原子碰撞把He激发He* (23S和21S态) He的 23S和21S 能级几乎与氖 Ne 的2S和3S能级重合，所以它们通过 He-Ne 离子之间的碰撞导致能量交换使Ne离子激发到受激态。 在Ne的 3S-2P之间跌迁，发出6328A的红色激光。气体激光器NeHe NeHeNeHeHeeHeeee电场气体激光器

26、的结构NeHe 半导体激光器体积小、寿命长、性能稳定、价格低廉等优点对光通信是绝对重要的。 电子注入泵浦 在半导体的PN结中，注入电子使导带(E2)中的电子达到粒子数反转。当电子跳回价带(E1)并与空穴复合时便发出光子。 半导体激光器具有很大的指数增益系数 ，可采用F-P激光腔(简单)，也可采用分布反馈的光栅DFB(高性能)的激光器。 1969年研究成功 “双异质结” 结构，迈出了关键性的一步。费米费米-狄拉克分布定律狄拉克分布定律在固体(金属、半导体)中，电子气按费米-狄拉克分布定律分布：在费米能级 EF 以下为电子充满，在费米能级以上则是空的。在温度很高时，在 EF 上下的二个转角处成曲线

27、，出现少量电子转移到 EF 之上。在 时，则退化为玻尔兹曼分布(分母的 1 可略去) 1exp1TkEEEfBF EfEFETkEB满带空带 本征半导体(图A) 本征半导体的能级图。上园弧线表示导带上能级(E2) 、下弧线表示价带下能级(E1)。当本征半导体温度为0 K时，其费米能级 EF处在导带与价带的中间。这意味着 EF 以下的价带被电子占满故也称为满带，而 EF 以上的导带都是空的没有被电子填充。 n型半导体(图B) 表示掺了很重的 n型杂质，如掺在GaAs中的In(铟)，被称为 n型半导体。对于 n型半导体其 EF 上升到导带之中，使 EF 的上面都是 “空穴”、EF 的下面包括导带底

28、部和价带都充满了电子。 P型半导体(图C) 表示掺了很重的p型杂质的半导体(如Al铝)。它的费米能级 EF下降到价带之中，因此价带顶部与导带都是空穴、EF 之下的价带才充满电子。 双简并态半导体(图D) 非热平衡状态下的半导体-双简并态。费米能级分裂成 EFC 和 EFV ，分别深入到导带与价带之内，导带底充满电子、价带顶为空穴所占据。半导体光电效应就是形成双简并态一个例子。当光注入时 , Eg 为半导体的禁带宽度,价带中的电子吸收光子的能量跃迁到导带中去，在价带留下一个空穴。当光照撤除, 导带中的电子经外电路回到价带与空穴复合 、形成光电流。 hEg/ 半导体激光发射的基本原理采用电子注入的

29、方式产生双简并态、当满足 ，从上图可以看到导带底的电子将跃迁到价带顶与空穴复合而发射出频率为1的光子，这是半导体激光发射的基本原理。1hEEFVFC热平衡态下半导体热平衡态下半导体PN 结结 1PN结处于热平衡态，能带形状与电子占据的状态如图示。2费米能级不分裂在零偏置条件下，PN结处于热平衡状态时、费米能级不分裂 ，即不产生双简并态。FVFCEEPN结发光过程结发光过程 施加正向偏置施加正向偏置( )， 形成正向注入电流、破坏了热平衡状 态。费米能级分裂, 正向偏置 N 区的 费米能级抬高，P区降低。 N 区，导带底与 EFC 之间充满电子； P 区，价带顶与 EFV 之间充满空穴。 在 P

30、N 结区，就可能形成“电子空 穴对”的复合而产生激光。这就是半 导体激光器的泵浦及复合过程。eEVg/ 双异质结双异质结 三种不同掺杂的半导体形成 “三明治”结构的双pn结。中间层的载流子复合区(形成激光)被二个异质结的高势垒夹住，载流子不会穿过势垒流失。载流子被限制在结区，大大提高复合载流子密度和激光强度。 波导结构波导结构 另一方面，“三明治”结构也是光折射率 “低高低”的三层结构，光学告诉我们，当光线从光密介质向光疏介质传输时会产生全反射，因此这种结构也成为约束光子的波导结构、使光子密度大为提高。现在光通信中使用的半导休激光器大多为双异质结枸。 双异质结半导体激光器的能级结构双异质结半导

31、体激光器的能级结构 双异质结双异质结F-P谐振腔半导谐振腔半导体激光器的体激光器的基本结构基本结构有有 源源 层层电流注入解理面 把电流注入到半导体中的把电流注入到半导体中的P-N结上，原子结上，原子中占据低能带的电子被激励到高能带；中占据低能带的电子被激励到高能带； 当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为辐射出一个光子，其能量为 hv=E2-E1。光的自光的自发辐射发辐射E2E1h h 发光二极管发光二极管光的自发辐射光的自发辐射有源区有源区电流注入电流注入型型光光hv光光hv解理面解理面(a)(a)半导体激光器半导体激光器 L1 2

32、 3 4R1 1增益介质增益介质R2 2光的驻波光的驻波折射率折射率反反射射镜镜反反射射镜镜(b)(b)纵模驻波纵模驻波 2nnPNm m-m+ (c)(c)纵模共振光谱纵模共振光谱增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔内允许产生的模式腔内允许产生的模式 m m( ) /2= L(b)mn 相相对对光光强强 m (a)+(b)=(c)(c)(c)半导体激光器的输出光谱半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系光增益与波长的关系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ 受激发射使受激发射使腔体得到的腔体得到的增益增益 = 腔体损耗腔体损耗发射发射主模主模纵模纵模增益增益频率频率gthg() 损

33、耗损耗增益增益 ( ( ) ) DFB-LD不是靠F-P腔实现激光谐振而是依靠布拉格光栅实现单纵模振荡。 特点有有 源源 层层ARAR电流注入1.单纵模 线宽MHZ量级2.光谱稳定 0.08nm/0C3.频率啁啾 250MHz/mA4. 输出光强大 100mW 结构 该器件有两个电极分制控制器件的增益(功率)与波长 第一电极控制 G 并完成电讯号的调制 第二电极控制器件的折射率 n，完成波长的调制。有 源 层ARAR/4相移电流注入控制增益电流注入控制波长 三个电极分别： 控制增益， 调制信息 控制波长有 源 层AR电流注入Ib(G) Ip() IS(mod.)该器件主要用于光纤到户(FTTH

34、)接入技术, 它最有可能做到低价格(小于10美元)多层薄膜构成的高反射层有源层 Laser LaserOptical PowerOptical PowerI0 LEDOptical PowerIth自发辐射自发辐射受激发射受激发射输出功率输出功率波长波长 /nm-40 -200. 1.040200-6060相相对对光光强强 0GaAlAs: (3050)nmInGaAsP: (60120)nm 1/2波长波长 /nm-0.4 -00. 1.0相相对对光光强强0.02nm 0(a) LED 的的光谱特性光谱特性(b) 多模多模LD的的

35、光谱特性光谱特性(c) 单模单模LD的的光谱特性光谱特性波长波长 /nm-40 -20402000. 1.0相相对对光光强强(25)nm 0有有源源层层材材料料类类型型发发射射波波长长 (nm)频频谱谱宽宽 (nm)进进入入光光纤纤的的功功率率( W)偏偏置置电电流流(mA)上上升升时时间间/下下降降时时（ns）SLED6602019013502013/10AlGaAsELED85035651080601002/(26.5)SLED8504080140100GaAsELED8503510321006.5/6.5SLED1 30011010501003/3ELED1 300

36、2510150301001.5/2.5InGaAsPELED1 55040701 0007 5002005000.4/(0.412)类型类型发射波长发射波长l(nm)C25o边模边模抑制抑制比比(dB)谱谱(线线)宽宽(FWHM)额定光额定光纤输出纤输出功率功率(dBm)阈值阈值电流电流(mA)C25o上升时间上升时间/下降时下降时间间（ns）(1090)%波长波长温漂温漂(nm/0C)多模多模 LD128313206nm0504015. 02.5 Gb/sDFB 模块模块12801335300.3nm-1+2250.15+0.1DFB 模块模块155014010MHz225VCSEL8400

37、.5nm6内含内含 EA 的的10 Gb/s DFB153015703510MHz02170.03光谱的时间相干性光谱的时间相干性 设波列持续时间为,波列的相干长度L =c， 波列随时间的变化F(t)可表示为： 由此可以求出频谱函数为Sinc函数： 当01/时，f()=0。根据上式，可以画作出有限长度波列的频谱图，即有名的Sinc函数。 2/02/2/2exp00ptttiftF ppp)()(sin00020fdtetFfti相干时间相干时间 与光谱频宽与光谱频宽 Sinc函数频谱宽度定义为原点0到第一个零点A之间间距为光谱频宽： 1/ 相干长度相干长度 L = c= c

38、 /光源发射光波前后二个瞬间之间，若有连续的相位关系, 则为时间相干, 否则不相干。相干的前后辐射波之间的时间间隔称为光源的相干时间, 它与光源辐射频宽存在倒数的关系。空间相干性空间相干性测量光波在二个点之间的空间相干度的一种十分简单的方法是采用杨氏干涉仪。测定条纹的清晰度，设亮条纹为 Imax和暗条纹为 Imin。那么在 P点处条纹的可见度 V(P)可以定义为： 完全空间相干性 V(P)=1。完全空间不相干 V(P)=0，干涉条纹消失。minmaxminmax)(IIIIVP激光束的方向性激光束的方向性具有完全空间相干性的圆截 面的平面波束，若整个截面上各点的强度相等，那么，按照波动光学的衍

39、射原理(爱里斑理论)光束发散角d D为光束的直径，为光波长。激光束的空间相干性是十分良好的，所贸D越大，光束的发散角越小。测不准原理与激光束测不准原理与激光束光子是微观粒子，其波粒二象性将表现出来由 故有：显然与爱里斑公式基本相符。Dd22. 1hxhPxPx/Dx光子简并度光子简并度 每个模的平均粒子数 即为：太阳的光子简并度太阳的光子简并度 太阳表面温度(6000K)，太阳光的平均波长为5000A，试求光辐射的光子简并度。代入上式得：=8.2910-3尽管太阳非常明亮，但每个模的光子简并度,却非常之低。激光的光子简并度激光的光子简并度 He-Ne激光器，输出波长为0.6328m的单色光，假

40、定只有一个模式，输出功率仅1毫瓦。则光子数N为：N= 3.181015激光器的光子简并度远远大于热光源，所以有人说激光比太阳还亮。激光器的光子简并度大，亮度高，光强度也大，是一个十分重要的特点。11expTkhhEqB光纤放光纤放大器大器(选学内容选学内容)放大器放大器类型类型原理原理激励激励方式方式工作长工作长度度噪声噪声特性特性与光与光纤耦纤耦合合与光与光偏振偏振关系关系稳稳定定性性掺稀土光掺稀土光纤放大器纤放大器粒子数粒子数反转反转光光数米到数米到数十米数十米好好容易容易无无好好半导体光半导体光放大器放大器粒子数粒子数反转反转电电100 m1mm差差很难很难大大差差光纤光纤(喇喇曼曼)放

41、大放大器器光学非光学非线性线性(喇喇曼曼)效应效应光光数千米数千米好好容易容易大大好好 对于一个F-P腔的激光器将F-P腔移去只剩下激光增益物质和泵浦源就构成光放大器。 EDFA是用掺在石英光纤中的铒离子Er3+作为激光增益物质。 Er3+的吸收光谱与发射光谱如下掺铒光纤能级图掺铒光纤能级图 吸收光谱主要用1480nm和和980nm二个波段，而荧光辐射波长为 1540 nm 波段。 1480nm和和980nm相应于4I13/2和4I11/2二个吸收带。相对于这两个吸收峰的泵浦光源已研究成功，量子阱的激光二极管，功率可达40mw至100mw左右，并有20万小时以上的使用寿命。在室温时，掺铒的Ge

42、O2SiO2光纤的发射光谱如下图所示。显然，其中心波长在1540nm, 通带一般在15351565nm。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信号光的信号光.1E2E3E信号光信号光1550nm1550nm0能级能级 3rE0.80eV1.27eV铒离子能级图铒离子能级图 能级能级 E2 和和 E1 之差必须是需要放大信号光的光子能之差必须是需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态态 E1 跃迁到激活态跃迁到激活态 E3。 为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激为了提高放大器的增益，应尽可能使基态

43、铒离子激发到激发态能级发到激发态能级 E3。 可使用的泵浦可使用的泵浦 : 0.98 m 和和 1.48 m的半导体激的半导体激光泵浦最有效。光泵浦最有效。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信号光的信号光.1E2E3E信号光信号光1550nm1550nm0能级能级 3rE0.80eV1.27eV铒离子能级图铒离子能级图输输入入信信号号泵泵浦浦光光隔隔离离器器光光隔隔离离器器波波分分复复用用器器掺掺铒铒光光纤纤输输出出信信号号熔熔接接(1) 掺铒光纤掺铒光纤 光纤光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最

44、佳化是主要的铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。技术关键。 (2) 泵浦源泵浦源 对泵对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。证光纤放大器性能的基本因素。 最先最先使用使用1480 nm的的 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，泵浦增益系数较高。随后采用激光器，泵浦增益系数较高。随后采用980nm 波长泵浦，效率高波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛噪声低，现已广泛使用。使用。(3) 波分复用器（波分复用器（WDM）其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是

45、插入损耗低，适用的的要求是插入损耗低，适用的WDM器件主器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。(4) 光隔离器光隔离器在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。、反向隔离度大。15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增

46、大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重 掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。 工作波长为工作波长为1550nm的铒的铒(Er)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为工作波长为1300nm的镨的镨(Pr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器

47、(PDFA) 工作波长为工作波长为1400nm的铥的铥(Tm)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器最为成熟，是光纤通信系统必备器件。件。C波段 EDFA 已经成熟，研究热点已转向 S波段和 L波段光纤放大器。S+波段（14501510nm） TDFAS波段（14801510nm） GS-TDFA掺铥Tm3+ 氟化物光纤放大器C波段（15301565nm） EDFA掺铒Er3+光纤放大器L波段（15751620nm） GS-EDFA，ELDF铒镧 Er3+/La3+共掺光纤放大器C+L波段（15301620nm） 宽带光纤放大器 混合Ram

48、an/EDFA光纤放大器L LFBG宽带光源宽带光源ReflectionTransmission布拉格条件（布拉格条件（Bragg Condition）: 0 = 2neff L L, neff 为有效纤芯折射率为有效纤芯折射率 0 0紫外光引起的周期性纤紫外光引起的周期性纤芯折射率变化芯折射率变化Fiber Bragg Grating (FBG)泵浦泵浦光纤光栅光纤光栅（高反射率）（高反射率）波分复用器波分复用器掺铒光纤掺铒光纤输出信号输出信号熔接熔接光纤光栅光纤光栅（低反射率）（低反射率）基于光纤光栅选频的线性腔掺铒光纤激光器基于光纤光栅选频的线性腔掺铒光纤激光器输输入入信信号号泵泵浦浦光光隔隔离离器器光光隔隔离离器器波波分分复复用用器器掺掺铒铒光光纤纤输输出出信信号号熔熔接接 半导体光放大器半导体光放大器(Semicond