光纤通信光源与光发送机
光纤通信 实验2实验报告 光发射机平均光功率测试实验
实验名称：实验2光发射机平均光功率测试实验姓名：班级：学号：实验时间：指导教师：得分：序号：42实验2光发射机平均光功率测试实验一、实验目的1、了解数字光发射机平均光功率的指标要求。
2、掌握数字光发射机平均光功率的测试方法。
二、实验器材1、主控&信号源模块2、25 号光收发模块3、23 号光功率计模块三、实验内容光发射机平均光功率测试四、实验原理光发送机的平均输出光功率被定义为当发送机送伪随机序列时，发送端输出的光功率值。
ITU-U 在规范标准光接口时，为使成本最佳，同时适应运行条件变化，并考虑了活动连接器的磨损、制造和测量容差以及老化因素的影响后，给出了一个允许的范围。
其中比较重要的激光器劣化机理是有源层的劣化和横向漏电流的增加所导致的激励电流增加以及光谱特性随时间的变化。
通常，光发送机的发送功率需要有1～1.5 dB 的富余度。
本实验将带领大家测量本实验系统发射光功率。
五、实验步骤注：实验过程中，凡是涉及到测试连线改变时，都需先停止运行仿真，待连线调整完后，再开启仿真进行后续调节测试。
1、登录e-Labsim 仿真系统，创建仿真工作窗口，选择实验所需模块和示波器。
2、按如下说明进行连线及设置：（1）将信号源P N 连至25 号光收发模块的T H2(数字输入)。
（2）连接25 号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1 打到“光功率计”。
（3）将25 号模块P4(光探测器输出)连至23 号模块P1（光探测器输入）。
，即数字光发。
将（4）将开关J1 拨为“10”，即无A PC 控制状态。
开关S3 拨为“数字”25 号光收发模块的电位器W4 和W2 顺时针旋至底，即设置光发射机输出光功率为最大状态。
3、运行仿真，开启所有模块的电源开关。
4、设置主控模块菜单，选择【主菜单】【光纤通信】→【光发射机平均光功率测试】，可以进入【光功率计】功能。
记录此时光功率计的读数，即为光发射机的平均光功率。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光纤通信重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（SiO2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
光纤通信
光纤通信的优缺点：优点：1.通信容量大，2.中继距离长3.抗电磁干扰4.传输误码率极低缺点:1.有些光器件比较昂贵2.光线的机械强度差3.不能传输电力4.光线断裂后维修比较困难。
基本光纤传输系统组成：1：光发射机（光源[直接调制，间接调制]、驱动器、调制器）：把电信号转换为光信号的过程是通过电信号对光的调制实现的。
2，光纤线路（光纤，光线接头，光纤连接器）：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
3.光接收机（光检测器，放大器，相关电路）：把从光纤线路传输，产生畸变和衰减的微弱光信号转变为电信号，并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带信号。
单模光纤：只能传输一个模式（两个偏振态兼并），所以称为单模光纤，信号畸变很小。
色散：（模式色散，材料色散，波导色散）在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。
光纤损耗类型：吸收损耗：主要是由二氧化硅材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的，散射损耗:主要有材料微观密度不均匀引起的瑞丽散射和光纤结构缺陷引起的散射产生的。
光线的损耗是系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。
光与物质作用三种形式：受激吸收，自发辐射，受激辐射。
LD（半导体激光器）产生激光的条件：hf>=Eg光电效应：在PN结界面上由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。
内部电场是电子和空穴产生与扩散运动相反的漂移运动，最终是能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层，当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于带隙，便发生受激吸收，在耗尽层由于内部电场的作用电子向N区运动空穴向P区运动形成光生漂移电流，在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层然后在电场的作用下，形成光生扩散电流，当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这就是光电效应.光无源器件：连接器和接头，光耦合器，光隔离器和光环形器，光调制器，光开关。
光纤通信原理与技术课程教学大纲
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲英文名称:Fiber Communication Principle and its Application学时:51 学分：3开课学期：第7学期一、课程性质与任务通过讲授光纤通信技术的基础知识,使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机)。
通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法,了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。
二、课程教学的基本要求要求通过课堂认真听讲和实验课,以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。
三、课程内容第一章光通信发展史及其优点（1学时）第二章光纤的传输特性（2学时）第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时）第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件(9学时）第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时)第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时）第七章光纤传输系统（4学时)第八章光纤网络介绍（6学时）第九章光纤通信原理与技术实验(17课时)四、教学重点、难点本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用,光电新产品开发举例。
本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。
（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2）六、教学方式理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。
七、本课程与其它课程的关系1。
本课程必要的先修课程《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程2。
本课程的后续课程《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。
八、考核方式考核方式：考查具体有三种。
根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种.第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定.对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告)和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%,实验成绩占总成绩的30％,作业成绩及平时考勤占总成绩的15％。
光纤通信系统
什么是光纤通信系统什么是光纤通信系统？本文将从光纤通信系统的构成,发展,优点,光纤通信技术的发展趋势方面来进行阐述。
光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。
从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。
光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。
传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。
光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光纤通信系统的构成一个实用的光纤通信系统，配置各种功能的电路、设备和辅助设施，如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等，才能投入运行。
要根据用户需求、要传输的业务种类和所采用传输体制的技术水平等来确定具体的系统结构。
因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。
有种通信系统主要是由3部分组成：光发射机、光纤光缆和光接收机。
由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：输入的电信号既可以是模拟信号(如视频信号、电视信号)，也可以是数字信号(如计算机数据、PCM 信号);调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能;光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端;在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，弥补线路传输过程中带来的信号损伤(如损耗、波形畸变)，最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传输过程。
简述光纤通信系统的结构和各部分功能
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
《光纤通信》的复习要点
《光纤通信》的复习要点《光纤通信》课程复习要点和重点浙江传媒学院陈柏年（2014年6⽉）第⼀章概述1、光纤通信：以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的通信⽅式。
2、光纤通信发展历程：（1）光纤模式：从多模发展到单模；（2）⼯作波长：从短波长到长波长；（3）传输速率：从低速到⾼速；（4）光纤价格：不断下降；（5）应⽤范围：不断扩⼤。
3、光纤通信系统基本组成：（1）光纤，（2）光发送器，（3）光接收器，（4）光中继器，（5）适当的接⼝设备。
第⼆章光纤光缆⼀、光纤（Fibel）1、光纤三层结构：（1）纤芯（core），（2）包层（coating），（3）涂覆层（jacket）。
2、各类光纤的缩写和概念：SIF（突变型折射率光纤），GIF（渐变折射率光纤）；DFF（⾊散平坦光纤）、DSF（⾊散移位光纤）；MMF（多模光纤），SMF（单模光纤）；松套光纤，紧套光纤。
⼆、光的两种传输理论（⼀）光的射线传输理论1、光纤的⼏何导光原理：光纤是利⽤光的全反射特性导光；纤芯折射率必须⼤于包层折射率，但相差不⼤。
2、突变型折射率多模光纤主要参数：★（1）光纤的临界⾓θc：只有在半锥⾓为θ≤θc的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
★（2）数值孔径NA：⼊射媒质折射率与最⼤⼊射⾓（临界⾓）的正弦值之积。
与纤芯与包层直径⽆关，只与两者的相对折射率差有关。
它表⽰光纤接收和传输光的能⼒。
（3）光纤的时延差Δτ：时延差⼤，则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间⾊散增⼤。
3、渐变型折射率多模光纤主要参数：（1）⾃聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同⾓度⼊射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。
（2）光纤的时延差Δτ：⽐突变型光纤要⼩，减⼩脉冲展宽，增加传输带宽。
（⼆）光纤波动传输理论★1、光纤模式：⼀个满⾜电磁场⽅程和边界条件的电磁场结构。
表⽰光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截⾯的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。
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N区
n
Ec 势垒
Ef N区
n
Ev
p
Ec
hf
p
Ef
p
Ev
n
Ec
n
hf
Ef
n
Ev
(a) PN结载流子运动 (b) 零偏压时能带图 (c) 正向偏压下PN结能带图
内部电场 外加电场
电子，
空穴
2．激光器的构成和工作原理
激光器是一种光自激振荡器。包括：
产生激光的工作物质（激活物质）。也就是处于粒子数 反转状态的发光物质，是激光器的组成核心，产生激光 的必要条件。工作物质可以是气体、液体或固体。半导 体激光器的工作物质是半导体材料。 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵 浦源）。 能够完成频率选择及正反馈作用的光学谐振腔，形成激 光振荡，输出激光
能量 Eg
导带
Ec Eg /2
Ef
Eg
Eg /2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
二、光与物质的相互作用
光具有波粒二象性
一方面光是电磁波，有确定的波长和频率，具有波动性， 会产生反射、折射、衍射、干涉、偏振等，电磁波满足 电磁波方程即麦克斯韦方程 另一方面，和所有运动的粒子一样，光具有能量、动量 和质量，也能产生压力，即光是由大量光子构成的光子 流，每个光子都有一定的能量E，具有粒子性
一、半导体激光器的结构
半导体激光器LD按纵向（垂直于PN结）结构的不 同，可分为同质结LD、单异质结LD和双异质结 LD
一、半导体激光器的结构
由同一种半导体材料构成的同质结中，在PN结的 两边光发射都可以发生，因此，发光不集中，强度 低，需要较大的注入电流 通过加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用， 可采用由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构 成的PN结异质结结构 实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件
1．粒子数反转分布
在外界足够强的激励源（泵浦源）作用下，能够形 成粒子数反转分布的物质，称为激活物质或增益物 质 可以利用适当的半导体材料作为激光工作物质（激 活物质）制造出半导体光源
1．粒子数反转分布
半导体激光器通 常采用外加正向 电压激励形成粒 子数反转分布
内部电场
P区
能量
p
Ec
P区
p
Ev
PN 结空 间电 荷区
d
P / hf I / e
e hf
P I
2．激光器效率
功率转换效率ηp是用来衡量激光器的电／光转换 效率高低的另一个参量，其定义为：激光器的输出
光功率与器件消耗的电功率之比
注入 电流
p
P0 I 2 Rs
IV
激光器发射 的光功率
激光器的 结电压
3．光谱特性
半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而 是成驻波形式振荡 因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄， 功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模
Ec
Eg Ef Ev
(c) P型半导体
一、原子能级和半导体的能带
价带中的电子由于受到紧约束而不能自由运动
导带中的电子则可自由运动，如果有外加电场存在， 就可形成电流
禁带是不能为电子所占据的能量状态，禁带的宽度
称为带隙能量，用Eg表示
能量
导带
Ec
Eg /2
Eg
Ef
Eg
Eg /2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
q
f c cq λ 2nL
3．激光的产生条件
由于受激辐射只在腔轴方向（纵向）形成驻波，因 此称为纵模 不同的q值对应于谐振腔纵方向不同的电磁场分布 状态，一种分布就是一个激光器的纵模 相邻两个纵模的频率间隔是一样的，为 c ，但其
2nL
对应的光强不同，L越大，纵模间距越小
2nL
q
f c cq λ 2nL
E3 E2 E1
一、原子能级和半导体的能带
由于半导体光源的材料是单晶体，其内部原子是紧 密地按一定规律排列在一起的，并且原子最外层的 轨道是相互重叠的，从而使它们的能级形成能带 半导体的能带由价带、禁带和导带构成
能量
导带
Ec
Ec
Eg /2
Eg
Ef
Eg
Ef
Eg /2
Ev
Ev
价带
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
3．激光的产生条件
显然，谐振腔内产生的驻波数（即纵模数）q不同， 可得到不同的光波长（或频率），即有无穷多个谐 振频率 具有多个频率（纵模）的激光器称为多纵模激光器
2nL
q
f c cq λ 2nL
4.2 半导体激光器
用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体 激光器（LD），在光纤通信系统中，使用的激光 光源几乎都是半导体激光器 半导体激光器产生的输出光具有强单色性，而且光 束具有很好的方向性 半导体激光器的典型响应时间小于1ns，光谱带宽 小于或等于2nm，并且它们可以和具有小芯径和 小模场直径的光纤实现耦合，注入光纤的功率可达 到几十毫瓦
3．光谱特性
当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主， 发出的是荧光 当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗， 产生激光振荡，其发射光谱变窄，谱线中心强度急 剧增加
3．光谱特性
激光器产生的激光有单模和多模 单模激光器（SLM）是指激光器发出的激光是单 纵模，所对应的光谱只有一个谱线 当有很多谱线时，即为多纵模激光器（MLM）
4．温度特性
半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波 波长随温度变化的特性称为温度特性 双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图
3．激光的产生条件
激光器并不是在任何情况下都可以产生激光，还要 满足一定的振幅平衡和相位平衡条件 振幅平衡条件即是阈值条件，是光的放大和损耗应 满足的平衡条件 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的 阈值条件
G 1 ln( 1 )
2L r1r2
激光器的阈值条件决定于光学谐振腔的固有损耗 损耗越小，激光器就越容易起振
二、光与物质的相互作用
受激吸收
当外界入射光子能量hf近等于能级E1与E2能量差时， 电子就吸收光子，由E1跃迁到E2能级
半导体光检测器就是基于受激吸收工作的光电器件
三、激光器的工作原理
尽管激光器有各种各样形式的不同，但各种激光器 产生激光的基本工作原理相同
1．粒子数反转分布
在热平衡状态下，高能级上的电子数N2总是比低 能级上的电子数N1少 这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态 大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上 可以忽略不计
根据现代量子物理学的观点，构成物质的原子的能 量只能取一系列分离值 也就是说原子的能量状态是量子化的，这些分离的 能量状态称为能级
E3 E2 E1
一、原子能级和半导体的能带
在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最 近的轨道上运动的定态称为基态或基能级 原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较 远的轨道上运动的定态称为激发态或高能级
3．激光的产生条件
在谐振腔中，光波在两块反射镜之间往复传输，只 有在满足特定相位的驻波才能得到彼此加强，这种 条件称为相位条件
只有那些与谐振腔轴平行，且往返一次的相位差等 于2π的整数倍的光才能相干增强，形成正反馈， 使光波加强
设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件（或称
驻波条件）为
纵模序数
2nL
最 为 常 见 的 谐 振 腔 是 法 布 里 － 帕 罗 （ F-P ， Fabry-Perot）谐振腔
2．激光器的构成和工作原理
两个反射镜组成的光谐振腔
其中一个反射镜（M1）要求有100％的反射率 另一个（M2）要有95％左右的反射率
两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产
生振荡
正反馈
95% 反射率
二、半导体激光器的特性
半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管 的一般特性（如伏安特性） 还具有特殊的光频特性
1．激光器的P-I特性
激光器的P-I特性曲线表明激光器输出光功率（输 出）与注入电流（输入）变化的关系
阈值
2．激光器效率
可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率 的高低
外微分量子效率ηd是用来衡量激光器的电／光转 换效率高低的一个参量，其定义为：激光器输出光 子数的增量与注入电子数的增量之比
3．光谱特性
所谓光谱特性是指激光器输出的光功率随波长的变 化情况，一般用光源谱线宽度 来表示，激光器 的 越小越好 对于多纵模激光器，线宽可用半高全宽光谱宽度来 度量
一般含有3~5个纵模，对应的线宽为3~5 nm
对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降到20dB 时的功率点对应的宽度评定
约为0.1 nm，甚至更小
法 布 里 － 帕 罗 腔 半 导 体 激 光 器 的 核 心 是 PN 结 ， PN结的两个端面是按照晶体的天然晶面剖切开的， 表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面 两个解理面之间组成一个光学谐振腔，即法布里－ 帕罗腔（F-P腔） 其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光 激光器谐振腔可能会有许多谐振频率，但仅有那些 增益足以克服损耗的频率振荡得以输出
光子能量与光波频率之间的关系是 E hf
h = 6.626×10-34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数
二、光与物质的相互作用
物质可以发光，光也可以被物质吸收 光的吸收与发射和物质内部能量状态的变化有关 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体 被吸收或发射
二、光与物质的相互作用
研究发现：光与物质原子的电子有三种相互作用机 制，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收