1、半導(dǎo)體激光器的工作原理 及在光纖通信中的應(yīng)用 小組人員 1960年5月15日，加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼 （T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一 臺(tái)紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激 光，波長為694.3納米。 紅寶石激光器紅寶石激光器 連續(xù)式（功率可達(dá)104 W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1017W /cm2 ） 2、按工作方 式分類 激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放 大或振蕩發(fā)射的器件。 激光器的種類： 1、按工作物質(zhì) 分類 固體激光器（如紅寶石Al2O3） 液體激光器（如某些染料） 氣體激光器（如He-Ne、CO2） 半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵 GaAs） 自由電子激光器

2、 激光器激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 （Laser Diode) 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN 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 的。 光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三 個(gè)要素： n 激活介質(zhì)經(jīng)受激后能實(shí)現(xiàn)能級(jí) 之間的躍遷； n 能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 的泵浦裝置； n 放置激活介質(zhì)的諧振腔，提供 光反饋并進(jìn)行放大，發(fā)出激光。 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 h E2 E1 E2 E1 受激輻射：受激輻射：在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被 迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻 射，這種躍遷稱

3、為受激輻射。 光子的特點(diǎn)：相干光光子的特點(diǎn)：相干光 產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價(jià)帶價(jià)帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價(jià)帶價(jià)帶 正常分布正常分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布 產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 光光 增增 益益 E EC C E EV V 產(chǎn)生激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 請(qǐng)看半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光原理動(dòng)畫演示 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體

4、激光器基本結(jié)構(gòu) 1）、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 正向電壓V時(shí)形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu) PN能帶 PNPN結(jié)結(jié)LDLD的特點(diǎn)：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作的特點(diǎn)：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作 2）、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 為了獲得高勢(shì)壘為了獲得高勢(shì)壘, ,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 電信號(hào)輸 入 調(diào)制光源 光放大 器 光檢測 器 信號(hào)恢 復(fù) 電信號(hào)輸 出 光發(fā)射機(jī) 尾纖 連接器 光纖 光纖接頭 盒 光耦合器 其它設(shè)備 光接收機(jī) 光纖接頭 盒 連接器 再生 中繼器 尾纖 光纖 光纖 光纖通信原理光纖通信原理 光纖通信是用光作為信息的載體

5、，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。 圖：光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成 光纖通信的基本單元為三個(gè)部分：光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)。 光發(fā)射機(jī)由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào) 送入光纖的傳輸裝置組成，其中光源是其核心部件，由半導(dǎo)體發(fā)光二 極管LED（Light Emission Diode）或者激光二極管LD（Laser Diode） 構(gòu)成。 LDLD在光纖通信中的應(yīng)用在光纖通信中的應(yīng)用 低能帶 高能帶 EC3 EV2 h EC2 EC1 EV3 EV1 h輸入光 h 輸出光 圖：光的受激發(fā)射（激光二極管） 圖：光發(fā)射模塊實(shí)物圖 光纖放大器光纖放大器 光信號(hào)沿光纖傳輸一定距離后，會(huì)因?yàn)楣?/p>

6、纖的衰減特 性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。為了使信號(hào)傳送的距離更 大，就必須增強(qiáng)光信號(hào)。光放大器起著對(duì)光波放大的作用，用于 彌補(bǔ)光信號(hào)傳輸一定距離后，因光纖衰減致使的光功率減弱。大 功率LD的重要應(yīng)用就是作為光纖放大器的泵浦光源。 光放大器是基于受激輻射機(jī)理來實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的， 工作原理如圖： 隔離器 輸入光 激活介質(zhì) 泵浦源 隔離器 輸出光 圖：光放大器的原理 光纖通信為什么選用光纖通信為什么選用LD？ n比較理想的光源。 n發(fā)出的光：激光，是一種相干光。 n發(fā)光原理：受激輻射。 n優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸 與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。 n實(shí)用性：適

7、用于高效率、大容量的光纖通信系統(tǒng)。 I F (mA) P (mW) 圖：LD外形圖和輸出特性 LD在光纖通信中的作用在光纖通信中的作用 1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo) 體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模 集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng)。由于半導(dǎo)體激光器有著 超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā) 展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、 光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途。半導(dǎo)體激光器 的問世極大地推動(dòng)了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是 當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重 要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對(duì)光纖通信產(chǎn)生了 重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導(dǎo)體激 光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信。 LD在其他方面的應(yīng)