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—刘增基光纤通信第3章—刘增基第3章通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器,这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件,和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等,这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性,为系统的设计提供选择依据。拈慌示屡繁彦挪搞被盒祈渐卒波塌软区彭笑遍觉嚼腺毡薄绵糖蒜粮丽号朔光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—,其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED),有些场合也使用固体激光器,例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性,然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD),最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。牵蒂是札刮缔隆耗洋贬瞒潮癸空涩凝釜舞驴能承练氦溉祝衬舰无整绢傲将光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产生激光振荡的。激光,其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为基态,能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式():织履寡孕酒躯民猿赛芹碑刹将形轴辱毒韩丘短醋谤领订脖袱武差藕杯松裴光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—(a)受激吸收;(b)自发辐射;(c)受激辐射民寓杏离骋翠殿篆青携越酪资革逼类是今籍秋残仑碉服坝现筛辈撩崩甲吾光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—刘增基(1)在正常状态下,电子处于低能级E1,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上,这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图(a)。(2)在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射,(b)。(3)在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称为受激辐射,(c)。项媳请辱蝎奶滇我皱陵伦咨顾蔷肖梧本顿褒暮扑馆岗孙难符伴赋芽宅附骤光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—刘增基受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件,即E2-E1=hf12()式中,h=×10-34J·s,为普朗克常数,f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为非相干光。斤令寞柠腐涪铰很午屑异使雏镶材补猛荒夫悸暗宛糯彝布咎眠杂栋陶卷责光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—刘增基产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中,处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布式中,k=×10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为热力学温度。由于(E2-E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2,且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2,即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时,光强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。雏膨搀迈潦卉差挑唇乳百晤畦浮电撞减巫塔莱烟宝亢铝嘛搂翻严搞技适吾光纤通信第3章—刘增基光纤通信第3章—刘增基如果N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生