工作机理

本部分介绍激光原理基础

注意

此处需要补充维护，内容不全面

能级

具有特定能量的轨道在量子力学里被称为量子态，这些轨道形成原子的能级。所以原子能级表示电子在每一个量子化的轨道上运动时，原子具有确定的能量。原子的能级结构也可以被理解为电子绕核运动的能量是不连续、分立的量子态，称之为原子的不同能级。

能带

能带是相对于能级的物理概念，用于分析物体内部电子运动，源于量子力学的理论。

能级跃迁

原子的核外电子可以在不同能级间进行跃迁，跃迁过程中按照能量守恒定律，和外界实现能量转换。跃迁分为光跃迁、热跃迁等。如果交换的热量是热能量形式则称为热跃迁，若为光能量形式则为光跃迁。光跃迁是研究光与物质相互作用的基础，也是光纤通信有源器件的基础原理。发生三种光跃迁包括：自发辐射、受激辐射、受激吸收。

在光电器件中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三个过程总是同时出现的，但是对于各个特定的器件，只有一种机理起主要作用。三种作用机理对应的器件可总结分别是：

自发辐射、发光二极管（LED）、

受激辐射、半导体激光器（LD）、

受激吸收、光电二极管（PD）。

吸收与放大

在热平衡状态下，高能级的原子数总是低于低能级的原子数。在这种情况下，光子辐射的概率总是小于吸收的概率。所以通常情况下物质表现出来的性质为光波总是被吸收的。但是在一定条件下可以打破规律，光波的吸收占主导可以变为光波的辐射占主导，从而实现光放大。

想要获得光放大，需要使受激辐射占主要地位，必须满足如下关系式：

\[ N_2 > N_1 \]

其中 \(N_1\) 为低能级上的原子数，\(N_2\) 为高能级上的原子数，上述条件称为粒子数反转分布，也被称为集居数反转分布。实现反转，需要外界提供能量，这种提供能量的过程被称为激励过程或泵浦过程。将处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。自然界中的增益物质可以为固体、气体、液体和半导体材料。

激光具有极高的光子简并度。光激光的生成原理及光的受激辐射放大。过程中使用谐振腔进行控制。

基本条件

实现一个激光器必须满足的三个基本条件是：

需要有合适的工作物质，发光介质，具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射。
需要可以实现工作物质粒子数反转的激励源，泵浦源。
需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。

产生激光的条件简称为增益物质、激励源、光反馈。

光源

光源作为光通信发端设备的关键光器件，其特性构成对光通信十分重要。光通信系统对光源的要求一般有如下几点：

波长范围，针对光波传输介质的低损耗窗口，希望找到适合光源产生位于低损耗光窗口的光波。
功率，针对光通信传输距离等需求，希望设计出具有适合高输出功率的光源。
光谱线宽，针对光通信容量、距离等性能要求，设计出是有合适谱线宽度的光源。转换效率，希望光源具有良好的转换效率。
调制，针对光通信不同类型和速率要求，可以选择具有合适的调制机制的光源。
寿命、可靠性、体积、重量。

激光器组件

通信使用的激光器是激光器组件。所谓组件是将激光器和其他光器件如光电二极管、光隔离器、光纤等和电子器件如 FEC 电制冷器等封装在一起，作为一个光机电有机结合整体，使激光器在宽温度范围长时间稳定工作，如光功率恒定，光波长不漂移。组件包括

激光器，如 DFB 激光器、线量子阱激光器。
PIN 光电二极管，用来监测其输出光功率，以使光功率稳定。
TEC 制冷器、散热器，用来将激光器的工作温度控制在一定的范围。
激光器与光纤的耦合部分，以便将光很好的耦合到光纤，这一段光纤常称为尾纤。
光隔离器 ISO，防止反射光进入激光器影响激光器的性能。
光滤波器，如 F-P 滤波器、布拉格滤波器，用来选择合适的光谱，用于 DWDM 系统。
调制器，如电吸收 MQW 外调制器，用于高速率系统。
半导体光放大器 SOA，用来提升发送光功率。