有源光器件和无源光器件区别及基础.ppt

光有源器件光无源器件光器件与电器件的类比光器件的分类光电变换器件光调制器件光色散补偿器件光网络器件光放大器件元件：Components第三章有源光器件和无源光器件3.1激光的基础知识3.1.2光子E2E2自发辐射是单向性的；
受激跃迁是双向的;
自发辐射概率与光强无关；
受激跃迁概率正比于光强。3.1.4粒子数反转例如：T～103K；
kT～1.38×10-20J～0.086eV;
在可见光和近红外，Eg=hv=E2-E1～1eV;例题课间休息3.2半导体光源3.2.1半导体激光器的特点和应用综上所述，半导体激光器的激射条件为：
粒子数反转
受激辐射
正反馈半导体激光器（LD）的特点：3.2.2半导体激光器（LD）法不里-泊罗激光器Fabry-Perot(FP)LaserFP-LD的结构FP-LD的工作原理例如：1、必须增益大于损耗：相邻两个纵模的间隔λN–λN+1≈λ2/2nL
当谐振器的L=0.4mm,n=1，工作在λ=1300nm附近时，计算出λN–λN+1≈2.1nm，假设增益曲线的线宽等于7nm，则这种活性介质可支持3个纵模。分布反馈激光器DistributedFeedback(DFB)Laser为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。
其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择反射波长为λB的光。a)分布反馈激光器量子阱激光器MQW激光器是用超薄膜（厚度〈20nm〉形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。MQW激光器的优点：（1）阈值电流小，由于其结构中“阱“的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。（2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。（3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。（4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。（5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强。3.2.3发光二极管（LED）3.2.2发光二极管Light-emittingDiode(LED)LED的结构面发射同质结LED结构截面图LED的工作原理GaAs的Eg=1.435eV,故可用它来制作0.85m波长的红外LED，InGaAsP的Eg=0.75~1.35eV，对应的发射波长为1.65~0.92m，考虑到光纤的低损耗窗口，InGaAsP主要性能指标
波长通常为：780,850,1300nm
总输出功率大于几W~mW
光谱宽度30~100nm
相干长度约为0.01~0.1mm
偏振较小或不偏振
大的NA(难于将光耦合进光纤)
LED的耦合效率a)面发射LED（朗伯源）LED的温度特性LED的波长和光谱宽度LED的电特性电容C载流子寿命上升/下降时间和带宽是根据脉冲最大值的10%到90%的时间来定义的。如右上图。理想的阶跃型脉冲响应如图虚线所示；实线为由于上升/下降时间造成的脉冲失真。归一化输出功率电调制带宽BW是指当电功率衰减到0.707时的调制频率范围。在电子学中有其与上升时间关系式：
BW=0.35/t1
LED调制带宽是在输出光功率下降到-3dB时的频带宽度。LED的频响受复合寿命τ的影响，其关系为：
BW=Δω3dB=1/τ即：增加LED的带宽是以输出功率为代价。复习题3.1.1课间休息3.3光电探测器3.3光电探测器输入输出特性：
输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。PIN光电二极管（Photodiodes）图3.3-5PIN光电二极管雪崩光电二极管Avalanchephotodiode(APD)1、工作原理：
在光电二极管上加相对较高的反向电压（20V左右），该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量。这些高能电子和空穴射入中性原子中，分离出其它电子和空穴。而二级载流子也获得足够能量去离化其它载流子，形成雪崩过程。这就意味着光电二极管在内部放大了光电流。（其量子效率10到100）产生二次载流子的过程称为冲击离化。简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次光生载流子
APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程
G是一个统计平