光電器件基礎(chǔ)講義剖析

1、 光電器件根底講義 中研傳輸業(yè)務(wù)部汪微 1 .概述 光電器件分為發(fā)光器件和光探測(cè)器兩大類，發(fā)光器件是把電信號(hào)變成光信號(hào)的器件， 在光纖通信中占有重要的地位。 性能好、壽命長(zhǎng)、使用方便的不源是保證光纖通信可靠工作 的關(guān)鍵。光纖通信對(duì)光源的根本要求有如下幾個(gè)方面： 首先，光源發(fā)光的峰值波長(zhǎng)應(yīng)在光纖 的低損耗窗口之內(nèi)， 要求材料色散較小。 其次，光源輸出功率必須足夠大， 入纖功率一般應(yīng) 在 10 微瓦到數(shù)毫瓦之間。 第三，光源慶具有高度可靠性， 工作壽命至少在 10 萬(wàn)小時(shí)以上才 能滿足光纖通信工程的需要。第四， 光源的輸出光譜不能太寬以利于傳高速脈沖。 第五，光 源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)

2、的要求。第六，電-光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低， 否那么會(huì)導(dǎo) 致器件嚴(yán)重發(fā)熱和縮短壽命。第七，光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大。 光探測(cè)器那么是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電子器件，作為光通信系統(tǒng)用的光探測(cè)器需 要滿足以下要求：首先， 其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配， 第二，具有很高 的量子效率和響應(yīng)度，第三，具有很高的響應(yīng)速度，第四，具有高度的可靠性。 2 .光電器件原理 2.1 半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 2.1- 1 半導(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙與發(fā)光 半導(dǎo)體單晶材料的原子是按一定規(guī)律緊密排列的。 在各個(gè)原子之間保持一定的距離， 是 由于在各原子之間存在著互相作用力的結(jié)構(gòu)， 這些結(jié)合力就是共

3、價(jià)鍵。固體物理學(xué)告訴我們， 單晶中各個(gè)原子的最外層軌道是互相重疊的， 這樣就使分立的能級(jí)變成了能帶。 與原子的最 多層軌道的價(jià)電子相對(duì)應(yīng)的能帶叫做價(jià)帶。 價(jià)帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。 在溫度低至絕對(duì)零度 的情況下，晶體中的電子均在價(jià)帶之中， 而導(dǎo)帶是完全空著的。 如果價(jià)帶中的電子受熱或光 的激發(fā)，那么受激發(fā)的電子就會(huì)躍遷到上面的導(dǎo)帶中去。這樣一來(lái)，晶體材料就可以導(dǎo)電了。 把導(dǎo)帶底的能量記作 EC,把價(jià)帶頂?shù)哪芰坑涀?EVO在EC和EV之間是不可能有電子的，故 稱為禁帶。把EC與EV之差記作 Eg,稱為禁帶寬度或帶隙。如果 Eg 較大，那么需要較大的激 勵(lì)能量把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去。對(duì)于絕緣體

4、材料，由于禁帶寬度 Eg 很大，價(jià)帶中 的電子很難遷到導(dǎo)帶中去，因而它表現(xiàn)出良好的絕緣性能。導(dǎo)體材料的 Eg=0,因此它表現(xiàn) 出良好的導(dǎo)電性能。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度介于導(dǎo)體和絕緣體之間， 因而它的導(dǎo)電能力也介 于兩者之間。 當(dāng)價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中， 在價(jià)帶中就留下了一個(gè)電子的空位。 在電場(chǎng)的作用 下，價(jià)帶中鄰近的電子就會(huì)填補(bǔ)這個(gè)空位， 而把它自己的位置空出來(lái)， 這就好象空位本身在 電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生移動(dòng)一樣。 空位的作用好象一個(gè)帶正電的粒子， 在半導(dǎo)體物理學(xué)上把它叫 作空穴。穴帶中的一個(gè)電子可以吸收外界能量而躍遷到導(dǎo)帶中去，在價(jià)帶中形成一個(gè)空穴。 反之，導(dǎo)帶中的一個(gè)電子也可以躍遷到價(jià)帶中

5、去， 在價(jià)帶中填補(bǔ)一個(gè)空穴， 把這一過程叫做 復(fù)合。在復(fù)合時(shí)，電子把大約等于禁帶寬度 Eg 的能量釋放出來(lái)。在輻射躍遷的情況下，釋 放出一個(gè)頻率為： =旦 h 的光子，其中 h 是普朗克常數(shù)6.625 X 10-34 焦耳秒。不同的半導(dǎo)體單晶材料的 Eg 值不 同，光發(fā)波長(zhǎng)也不同，因?yàn)殡娮雍涂昭ǘ际翘幱谀軒е校?不同的電子和空穴的能級(jí)有所差 別，復(fù)合發(fā)光的波長(zhǎng)有所差異，但其頻率接近于 2.1- 2 半導(dǎo)體摻雜、 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體 上面說(shuō)到的都是純潔、 完整的理想半導(dǎo)體單晶的情況。 在實(shí)際的半導(dǎo)體單晶材料中， 往 往存在著與組成晶體的基質(zhì)原子不同的其它元素的原子雜質(zhì)原子， 以及在晶

6、體形成過程 中出現(xiàn)的各種缺陷。 進(jìn)行材料提純， 就是為了去除有害雜質(zhì)。 進(jìn)行各種處理，就是為了消除 或減少某些缺陷。 但是， 在實(shí)際應(yīng)用中， 我們還要有意識(shí)地在晶體中摻入一定量的有用雜質(zhì)， 這些雜質(zhì)原子對(duì)半導(dǎo)體起著極為重要的作用。 我們知道， 按照摻雜的不同， 可以得到電子型 半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體材料。 所謂本征半導(dǎo)體， 是指含雜質(zhì)和缺陷極少的純潔、 完整的半導(dǎo)體。其特點(diǎn)是，在半導(dǎo)體 材料中，導(dǎo)帶電子和數(shù)目和價(jià)帶空穴的數(shù)目相等。通常把本征半導(dǎo)體叫做 I 型半導(dǎo)體。所謂 電子型半導(dǎo)體就是通過成心摻雜使用導(dǎo)帶的電子數(shù)目比價(jià)帶空穴的數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。 例 如，在純潔的 III V 族化合物 GaA

7、s 中摻入不量的 VI 族元素 Te， Te 原子取代晶體中的 As 原子，這樣就得到了電子型半導(dǎo)體。 Te 原子的外層有六個(gè)價(jià)電子， As 原子的外導(dǎo)有五個(gè)價(jià) 電子，在形成共價(jià)鍵時(shí)每個(gè) Te 原子向晶體提供一個(gè)電子，因而導(dǎo)帶內(nèi)就有許多電子，這種 電子型半導(dǎo)體亦稱為 N 型半導(dǎo)體。所謂空穴型半導(dǎo)體，就是通過成心摻雜使價(jià)帶空穴的數(shù) 目比導(dǎo)帶電子數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純潔的 III V 族化合物 GaAs 中摻入少量的 II 族元素 Zn。 Zn 原子取代晶體中的 Ga 原子，這樣就得到了空穴型半導(dǎo)體。 Zn 原子的外層 有兩個(gè)價(jià)電子， Ga 原子的外層有三個(gè)價(jià)電子， 在形成共價(jià)鍵時(shí)每個(gè) Z

8、n 原子向晶體索取一個(gè) 電子，即向晶體提供一個(gè)空穴，因而價(jià)帶內(nèi)就有許多空穴，這種空穴型半導(dǎo)體也叫做 P 型 半導(dǎo)體。 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明， 半導(dǎo)體的物理性質(zhì)在很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù) 量。更重要的是，把不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)， 就可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體器件，當(dāng) 然也包括這里要講的激光二極管和發(fā)光二極管。請(qǐng)注意，這里所說(shuō)的“結(jié)合 ，并不是簡(jiǎn)單 的機(jī)械的接觸，而是在同一塊半導(dǎo)體單晶內(nèi)形成不同類型的兩個(gè)或兩個(gè)以上的區(qū)域。 2.1 -3 半導(dǎo)體 p-n 結(jié)和 p-n 結(jié)光源 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體結(jié)合的界面稱為 p-n 結(jié)， 許多半導(dǎo)體器件 包括半導(dǎo)體激光器 的核心就是這個(gè)

9、p-n 結(jié)。前面提到，在 P 型半導(dǎo)體內(nèi)有多余空穴，在 N 型半導(dǎo)體內(nèi)有多余 電子， 當(dāng)這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)， P 區(qū)內(nèi)的空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散， 在靠近界面的地方剩下了 帶負(fù)電的離子， N 區(qū)內(nèi)的電子向 P 區(qū)擴(kuò)散， 在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子。 這樣一 來(lái)， 在界面兩側(cè)就形成了帶相反電荷的區(qū)域， 叫做空間電荷區(qū)。 由這些相反電荷形成一個(gè)自 建電場(chǎng)，其方向是由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。由于自建電場(chǎng)的存在，在界面的兩側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì) 差VD,這個(gè)電勢(shì)差阻礙空穴和電子的進(jìn)一步擴(kuò)建，使之最后到達(dá)平衡狀態(tài)。因此，我們把 VD叫做阻礙空穴和電子擴(kuò)散的勢(shì)壘。如圖 2.1 所示的 p-n 結(jié)及能帶，顯

10、然，P區(qū)的能量比 N 區(qū)的提高了 eVD ，其中 e 是電子的電荷量。如圖中所示：對(duì)于輕摻雜的 p-n 結(jié)， eVDEg。理論分析說(shuō)明，可以利用一個(gè)能級(jí) EF 稱為費(fèi)米能級(jí)來(lái) 描述電子和空穴分布的規(guī)律。 對(duì)于 EF 以下的能級(jí)， 電子占據(jù)的可能性大于 1/2， 空穴占據(jù)的 可能性大于 1/2。在平衡狀態(tài)下， P 區(qū)和 N 區(qū)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。對(duì)于 P 區(qū)，因?yàn)榫w內(nèi)有 許多空穴，所以價(jià)帶頂在費(fèi)米能級(jí)附近。對(duì)于 N 區(qū)，因?yàn)榫w內(nèi)有許多電子，所以導(dǎo)帶底 在費(fèi)米能級(jí)附近。這樣一來(lái)就畫出了圖 2.1a所示的能帶圖。半導(dǎo)體 p-n 結(jié)光源包括半導(dǎo)體 發(fā)光二極管與半導(dǎo)發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器，它們都是正

11、向工作器件。當(dāng)把正向電壓 V 加在 p-n 結(jié)上時(shí)，抵銷了一局部勢(shì)壘，勢(shì)壘高度只剩下了 VDV的數(shù)值，如圖 2.1b所 示。 外加的正向電壓破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài)， P 區(qū)和 N 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)別離開來(lái)。 這時(shí)， 可以 用兩個(gè)所謂的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)描述電子和空穴分布的規(guī)律。 把 N 區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)記作 EF N， 對(duì)于EF N以下的能極，電子占據(jù)的可能性大于 1/2。把 P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)記作EF P, 對(duì)于EF P以上的能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于 1/2。當(dāng)把足夠大的正向電壓加在 p-n 結(jié)上 時(shí)，P區(qū)內(nèi)的空穴大量地注入 N 區(qū)，N 區(qū)內(nèi)的電子大量地注入 P區(qū)。這樣一來(lái)，在 P區(qū)和 N 區(qū)靠近界面的地

12、方就產(chǎn)生了復(fù)合發(fā)光。 在激光物理學(xué)中，材料的光子吸收、自發(fā)發(fā)射和受激 發(fā)射可以由圖 2.2 的兩能級(jí)圖來(lái)表示。圖中 E1 是 自建電場(chǎng) .- 。Q Q .- + + .-.+ -.+ lilt 重?fù)?EF (EC)N (EV)N (EF)P (a) (b) 圖 2.1 p-n 結(jié)能帶圖 基態(tài)能量，E2是激發(fā)態(tài)能量。按照普朗克定律，這兩個(gè)能態(tài)之間的躍遷涉及到發(fā)射或吸收 一個(gè)能量為卜丫 12=E2 El的光子。一般情況下系統(tǒng)處于基態(tài)。當(dāng)能量為的 卜丫 12光子射入， 能態(tài) E1中的某個(gè)電子能夠吸收光子能量，并激發(fā)到能態(tài) E2,如圖 7.2 所示。由于 E2能態(tài)是 一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，電子很快就返回到

13、 E2 hr 12 E1 - ：.- E2 hr 12 E1 - b自發(fā)發(fā)射 圖 2.2 光子吸收的三種形式 E2 1 ,P*,P*- -vvszs/.vvszs/.h h 12 hT 12 陽(yáng)同) E1 二 - (c)受激發(fā)射 +,+,+ O O O O O 空穴多 (Ec)P (Ev)P - - + ：+ 基態(tài)，從而發(fā)射出一個(gè)能量為的 八丫侵光子。這個(gè)過程是在無(wú)外部鼓勵(lì)的情況下發(fā)生的，因 此稱為自發(fā)發(fā)射。這種發(fā)射是各向同性的，并且其相位是隨機(jī)的， 表現(xiàn)為非相干光輸出。另 外一種情況是，暫時(shí)停留在 E2 上的電子，由于外部了鼓勵(lì)向下躍遷到基態(tài)，如圖 2.2(c )所 示。當(dāng)有一個(gè)能量為 卜丫

14、 12的光入射到系統(tǒng)時(shí)，電子會(huì)立即受到鼓勵(lì)向往下躍遷到基態(tài)，同 時(shí)釋放出一個(gè)能量為 hT 12的光子。發(fā)射出來(lái)的這個(gè)光子與入射光子是同相位的，這種情況 稱為受激發(fā)射。在熱平衡狀態(tài)下，受到激發(fā)的電子的密度非常小， 入射于系統(tǒng)的大多數(shù)光子 都會(huì)被吸收，受激發(fā)射可以忽略， 材料對(duì)光能量來(lái)說(shuō)是消耗性的。 僅當(dāng)激發(fā)態(tài)中的電子數(shù)大 于基態(tài)中的電子數(shù)時(shí)，受激發(fā)射才會(huì)超過吸收。這個(gè)條件在激光物理學(xué)中稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)并不是一種平衡狀態(tài)，必須利用各種“泵浦方法來(lái)使材料到達(dá)這種狀態(tài)。 對(duì)于圖 2.1 所示的 p-n結(jié)，正向通電注入電子填滿那些較低能態(tài)，即能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該 材料原來(lái)對(duì)光是吸收的進(jìn)而

15、變?yōu)閷?duì)光具有放大作用了。 半導(dǎo)體激光器中，在電泵浦使用下能 夠?qū)庥蟹糯笞饔玫膮^(qū)域稱為有源區(qū)，其實(shí)就在圖 2.1 所示的 p-n 結(jié)附近。我們知道，高頻 電子 LC 振蕩器就是利用電子放大器和正反應(yīng)結(jié)合而產(chǎn)生的。 半導(dǎo)體激光器的激光振蕩也是 由光放大與正反應(yīng)結(jié)合而產(chǎn)生。招圖 2.3 所示，處于粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)的有源區(qū)對(duì)某波長(zhǎng)光有放 大作用。設(shè)有微弱的光由左向右傳輸， 在光放大作用下逐漸增強(qiáng)， 到達(dá)右鏡面立刻反射到左 傳輸又再逐漸增強(qiáng)，到達(dá)左鏡面反射而形成正反應(yīng)過程。 顯然，只有在傳播方向與鏡面垂直 的一局部光才能夠在鏡面的幫助下實(shí)現(xiàn)放大-反應(yīng)， 當(dāng)這個(gè)放大-反應(yīng)環(huán)路的光增益足以抵 消一切光損耗時(shí)，

16、就在諧振腔內(nèi)建立了等相面與反射鏡面平等的駐波， 這就是說(shuō)產(chǎn)生了激光 振蕩了。如圖 2.1 所示的 p-n 結(jié)，當(dāng)未注入電流時(shí)，其材料對(duì)光呈現(xiàn)吸收性，當(dāng)注入電流較 小時(shí)，p-n 結(jié)開始發(fā)光，電流繼續(xù)增加，光放大增強(qiáng)，放大-反應(yīng)環(huán)路的增益一旦超過損耗， 就產(chǎn)生振蕩，半導(dǎo)體激光器就由自發(fā)發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)入激射狀態(tài)，此時(shí)的注入電流稱閥值電流。 圖 2.3 平面諧振腔 2.2 光電探測(cè)器原理 2.2- 1 p-n 結(jié)的光電效應(yīng) 當(dāng) P型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)不是機(jī)械結(jié)合，而是分子間結(jié)合，能構(gòu)成一個(gè) p-n 結(jié)。在 P、N 型半導(dǎo)體的交界面將發(fā)生載流子相互擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)： P型中的空穴遠(yuǎn)比 N 型材料 多，空

17、穴將從 P區(qū)擴(kuò)散到 N 區(qū)；同樣 N 型材料中的電子遠(yuǎn)比 P型材料的多，也要擴(kuò)散到 P 區(qū)。到達(dá)平衡時(shí)，這些向?qū)Ψ綌U(kuò)的載流子將積聚在 P區(qū)、N 區(qū)交界面的附近，形成空間電荷 區(qū)，稱為結(jié)區(qū)，如圖 2.4 所示?？臻g電荷區(qū)內(nèi)，因多數(shù)載流子指 P區(qū)中的空穴，N 區(qū)中的 電子幾乎已消耗盡了，故又稱它為耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)形成了內(nèi)建電場(chǎng) Ei,以入接觸電勢(shì)或 勢(shì)壘 Vd。日或 Vd 的存在阻止多數(shù)載流子繼續(xù)對(duì)方擴(kuò)散，到達(dá)平衡狀態(tài)。如果 p-n 結(jié)接收 相當(dāng)能量的光波照射， 進(jìn)入耗盡區(qū)的光子就會(huì)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)， 并且受內(nèi)電場(chǎng) 日的加速， 空穴順 日方向漂向 P區(qū)，電子那么逆 日方向漂向 N 區(qū)。光照的結(jié)果打

18、破了原有結(jié)區(qū)的平衡 狀態(tài)。光生載流子的運(yùn)動(dòng)，同樣要在結(jié)區(qū)形成電場(chǎng) Ep 和電壓 Vp,而 Ep 和 Vp 的方向或極性 正好與 日和 Vd 相反，起到削弱 日和 Vd的作用。電壓 Vp 稱為光生伏特。當(dāng)外界光照是穩(wěn) 定的，將 p-n結(jié)兩端用導(dǎo)線連接，串入電流計(jì)就能讀出光電流 Ip。 用 2.5 光搦塘幫的 p-n第 2.2- 2 反向偏置的 p-n 結(jié) p-n 結(jié)中的光電流是靠耗盡區(qū)中的內(nèi)電場(chǎng)形成的。當(dāng)以適當(dāng)能量的光照射 p-n 結(jié)，且光 強(qiáng)很大，能使光生電場(chǎng) Ep=Ei ,合成電場(chǎng) E=Ei-Ep=0,即日已被削減為零，耗盡區(qū)也不存在 了。這時(shí)發(fā)生載 流子雖仍可在 p-n 區(qū)中產(chǎn)生，但無(wú)電場(chǎng)

19、導(dǎo)引和加速，在雜亂的擴(kuò)散過程中， 大局部光生空穴和光生電子相繼復(fù)合而消失， 不能形成外部電流。 這是不加偏置的 p-n 結(jié)可 能出現(xiàn)的問題。零偏置有兩大弊?。?1器件的響應(yīng)率很差，且很易飽和； 2依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 形成的光電流響應(yīng)速度很慢。假設(shè)在 p-n 結(jié)上加反向偏置電壓見圖 8.3,那么勢(shì)壘高度增加到 Vd+V ;耗盡區(qū) W 加寬了，響應(yīng)率和響應(yīng)速度都可以得到提高。 SB.3.6 網(wǎng)新陽(yáng)颼帆 p-n結(jié) 3 .光電器件類型 3.1 半導(dǎo)體發(fā)光器件 半導(dǎo)體發(fā)光器件有三大類：發(fā)光管、 FP激光器、DBF激光器，下面分別介紹三類器 件的特點(diǎn)： 發(fā)光管LED 未經(jīng)諧振輸出，發(fā)非相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件稱為

20、發(fā)光管。發(fā)光管的特點(diǎn)：輸出 光功率低、發(fā)散角大、光譜寬、調(diào)制速率低、價(jià)格低廉，適合于短距離通信。 FP激光器 FP激光器是以 FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。這類器件 的特點(diǎn)；輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜較窄、調(diào)制速率高，適合于較長(zhǎng)距離通信。 DFB激光器 DFB激光器是在 FP激光器的根底上采用光柵慮光器件使器件只有一個(gè)縱模輸 出，此類器件的特點(diǎn)：輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調(diào)制速率高，適合于 長(zhǎng)距離通信。 3.2 光電檢測(cè)器件 光電檢測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件， 光纖通信系統(tǒng)中使用 2 類光電檢測(cè) 器，即光電二極PIN管和雪崩光電二極管APD。 PIN 探

21、測(cè)器 PIN 探測(cè)器是在普通光電二極管的根底上參加一層耗盡層的器件，它具有量子效 率高、暗電流低、響應(yīng)速度高、工作偏壓低、不具有倍增效應(yīng)的特點(diǎn)。 APD 探測(cè)器 雪崩光電二極管是一種利用較高的偏壓加速光子激發(fā)出的電子空穴對(duì)， 碰撞出二 次電子空穴對(duì)，形成光電流倍增的器件。 它具有較高的量子效率、 較高的響應(yīng)、有倍增 效應(yīng)。 4 .光電器件的參數(shù)指標(biāo) 4.1 半導(dǎo)體發(fā)光器件 4.1- 1 發(fā)光管LED 發(fā)光管有以下性能參數(shù)：工作波長(zhǎng)、- 3dB光譜寬度、輸出光功率、最高調(diào)制速 率。 工作波長(zhǎng)是指 LED 發(fā)出光譜的中心波長(zhǎng)； -3dB光譜寬度是 LED 發(fā)射光譜的最高 點(diǎn)降低一 3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的

22、光譜寬度； 輸出光功率是器件輸出端口輸出的光功率； 最高調(diào) 制速率為 LED 所能調(diào)制的最高速率。 表 4.1 是某公司 LED 器件的性能參數(shù)，其典型光譜如圖 4.1 所示 表 4.1 LED 性能參數(shù) 性能參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 單位 測(cè)試條件 最小 典型 取大 工作波長(zhǎng) 加 nm I=80mA 1280 1310 1330 1520 1550 1570 3dB光譜寬度 nm I=80mA 60 尾纖輸出光功率 P0 MW I = 80mA,1310nm 10 100 I=80mA,1550nm 10 50 正向電壓 Vf V I = 80mA 2.0 /Inritsu 泗次 A LHkr C

23、圖 4.1 4.1- 2 FP激光器 FP激光器有以下性能參數(shù):98-04-30 14； 46 -72.9 dBm 1343. 2nm 34. Irimdiv 1513*7nm i n Vac Res：B. Irw / Av9：0ff / Smplg：501 VBW：1kHz / 3m：Off z ntvl：Off / 1684-2nm / Att Off Spectrum Pcier 1寸,由鴕5;那么nrn q Bin. 46.I1M 3.0dB ，d i -57.9 d&n) Resllixal 工作波長(zhǎng)：激光器發(fā)出光譜的中心波長(zhǎng)。 光譜寬度：多縱模激光器的均方根譜寬。 閾值電流

24、：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時(shí)激光器發(fā)出相干性很好的激光。 輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。 典型參數(shù)見表 4.2,其典型光譜圖為圖 4.2 表 4.2 FP激光器性能參數(shù) 性能指標(biāo) 參數(shù) 符號(hào) 單位 測(cè)試條件 最小 典型 取大 工作波長(zhǎng) pp nm IW= Ith+20mA 1290 1310 1330 1530 1550 1570 光譜寬度 nm IW= Ith+20mA 3 5 閾值電流 I th mA 5 1 20 輸出光功率 P0 mW IW, 1310nm 0.3 2.5 IW, 1550nm 0.3 2.0 正向電壓 Vf V IW= Ith+20mA 1.1 1.5

25、98-04-30 14:52 Res：0.Inn / Av：Off / Smplg：501 / VBW：1kHz /3m：0ff z ntvl：0fF / Att Off 圖 4.2 4.2- 3 DFB激光器 DFB激光器有以下性能參數(shù)： 工作波長(zhǎng)：激光器發(fā)出光譜的中心波長(zhǎng)。 邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比。 -20dB光譜寬度：由激光器輸出光譜的最高點(diǎn)降低 20dB處光譜寬度。 閾值電流：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時(shí)激光器發(fā)出相干性很好的激光。 輸出光功/Inritsu r r kb 泄LM -FP-LD Test P gak* nr-fciir4ii (lean LJ1

26、. FUHN 35co. Total Power. 1312. 66nm 13lk042nm 4.902nm -2.59dBm -9.2?d&n riode( 3dB) . Mbde Spacing. 4 0.8nm 率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。 典型參數(shù)見表 4.3,其典型光譜圖為圖 4.3 表 4.3 DFB激光器典型參數(shù) 性能指標(biāo) 參數(shù) 符號(hào) 單位 測(cè)試條件 最小 典型 取大 工作波長(zhǎng) PP nm IW= Ith+20mA 1310 1550 -20dB光譜 寬度 nm IW= Ith+20mA 0.3 0.5 閾值電流 I th mA 15 20 輸出光功率 Po mW I

27、W, 1310nm 0.3 2.5 IW, 1550nm 0.3 2.0 正向電壓 Vf V IW= Ith+20mA 一 一 一 /Inritsu 93-05-04 09：四 DFB-L口 Test - Peak. 1&52- 71 nm -2* WdBm Made Offset* K 32nm 2nd Peak 1554. D3nm -44.93dBm Stop Band . 2.68nm 20HB Width & 24nm Center Offset.1 -0.32nm SMSR. . . . 42. 75dB Res：B.Irw / Avg：Off / Smplg：50

28、1 / VBW：1kHz z Sm：Off / ntvUOfF z z Att Off 圖 4.3 4.3- 電檢測(cè)器件 4.2- 1 PIN 光電二極管 PIN 光電二極管性能參數(shù)如下： 響應(yīng)光譜范圍：光電二極管能檢測(cè)到的光譜范圍。 暗電流： 光電二極管在沒有光輸入時(shí)產(chǎn)生的漏電流。 響應(yīng)度： 即光電轉(zhuǎn)換的效率，是光電流與輸入的光功率之比。 krkr 泄LM 表 4.4 PIN 光電二極管的典型參數(shù) 性能指標(biāo) 參數(shù) 符號(hào) 單位 測(cè)試條件 最小 典型 取大 光譜響應(yīng) nm 1100 1310 1600 暗電流 jd nA Vr=-5V - 0.1 5 響應(yīng)度1310nm :R A/W Vr=-5

29、V 0.8 0.85 - 飽和光功率 P mV Vr=-5V 1.5 響應(yīng)時(shí)間 :tr/tf ns - 0.1 - 電容 C Pf Vr=-5V 0.75 光敏向直徑 * m m 75 1.2- 2 APD 光電探測(cè)器 APD 探測(cè)器性能主要參數(shù)： 工作波長(zhǎng)：APD 探測(cè)器能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。 量子效率：激發(fā)出的一次電子數(shù)與輸入的光子數(shù)之比。 暗電流： APD 探測(cè)器在沒有輸入光功率時(shí)的漏電流。 倍增因子：光電子的倍增倍數(shù)。 過剩噪聲指數(shù)：反映噪聲的大小。 表 4.5 APD 光電探測(cè)器參數(shù) 種類 G-APD 工作波長(zhǎng) 10001600nm 量子效率 50% 過剩噪聲指數(shù) 0.8 暗電流 200

30、 NA 倍增因子 15 結(jié)電容 2pF 上升時(shí)間 150ps 光敏面積 如 200 Mm 擊穿電壓 60V 5 .各種光電器件的應(yīng)用場(chǎng)合 5.1- FP激光器的應(yīng)用 由于受 1310nm通信窗口的光纜衰耗和 1550nm通信窗口的光纜色散限制，此類激 光器用于傳輸距離小于 50km的場(chǎng)合。主要是 1310nm的工作波長(zhǎng)。 5.2- DBF激光器的應(yīng)用 這類激光器具有光譜窄特性， 在 1550nm低衰耗特性窗口受色散限制的距離為 70 120km,由于目前激光器制造工藝正在不斷開展，此類激光器的受色散限制的距離有 可能到達(dá) 170200km。此類激光器與光放大器配合使用目前能實(shí)現(xiàn) 120km以內(nèi)

31、的無(wú) 中繼傳輸。 5.3- EA DFB激光器應(yīng)用 EA - DFB激光器不直接對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制， 使激光器的喟秋效應(yīng)大大降低， 此 類激光器受色散限制的距離為 3001000km。此類激光器與光放大器結(jié)合使用，能 實(shí)現(xiàn) 200km無(wú)中繼傳輸，3001000km無(wú)電中繼傳輸。 5.4- PIN 探測(cè)器 PIN 探測(cè)器由于沒有倍增效應(yīng)，其響應(yīng)度較小，主要用于 155/622Mb/s 系統(tǒng)。 5.5- APD 探測(cè)器 APD 探測(cè)器具有倍增效應(yīng)和較高的效應(yīng)速度，用于 2.5Gb/s 設(shè)備上。 6 .使用中需要注意的問題 6.1- 防靜電 目前光纖通信設(shè)備中的光電器件均為異質(zhì)結(jié)器件， 其反向擊穿電壓

32、都很低， 極易被 人體靜電擊穿或擊傷， 造成器件立即損耗或壽命減少。 因此在使用過程一定要十分注意 防靜電。 6.2- 注意防止折斷尾纖 設(shè)備中使用的光電器件多數(shù)是帶尾纖輸出的類型，器件尾纖是采用 0.9mm直徑的 套塑光纖，十分脆弱。在使用過程中如果不小心很容易將尾纖折斷， 造成器件完全無(wú)法 使用。 6.3- 注意清潔光纖連接器 光電器件的光纖連接器是器件與外界的光接口。 如果光纖連接器被污染， 那么會(huì)明顯 增加連接衰耗，造成發(fā)光器件的輸出光功率明顯低于器件額定值， 接收器件靈敏度明顯 降低，使設(shè)備的光口指標(biāo)變壞，嚴(yán)重影響設(shè)備的整體性能。 7 .摻餌光纖放大器介紹 7.1- 摻餌光纖放大器介

33、紹 摻餌光纖放大器作為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 具有增益高、輸出功率大、工作光 學(xué)帶寬較寬、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)較低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)。它是大 容量波分復(fù)用系統(tǒng)、2.5Gb/s 和 10Gb/s 以上高速系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件， 也是大型 CATV 網(wǎng)不可缺少的器件。它的出現(xiàn)給光纖通信與傳輸技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。 EDFA 在光纜線路中 可以有以下幾種應(yīng)用： (1)、裝在光發(fā)射機(jī)后面作功率放大器，它可以將光發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率由 0dBm左右提高至 +13+18dBm。 (2)、在光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)之間裝假設(shè)干個(gè) EDFA,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中繼設(shè)備。 (3)、裝在光接收機(jī)前面作預(yù)放大器可以將接收機(jī)靈敏度提高至 -45 -35dBm 光纜通信線路中使用 EDFA 作功率放大器和預(yù)放大器可以大幅度提高通信設(shè)備的 動(dòng)態(tài)范圍，使線路的無(wú)中繼距離到達(dá) 150250km,這將使通信系統(tǒng)的中繼站的數(shù)量 大大減少，線路的建設(shè)本錢、維護(hù)本錢大為降低，同時(shí)也提高了線路的可靠性。在沿 途不上下話路的長(zhǎng)途干線中應(yīng)用 EDFA,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 光 T 電、電 T 光 的中繼方式， 可以節(jié)省設(shè)備投資，同時(shí)有利于線路的升級(jí)。因?yàn)?EDFA 具有放大特性與系統(tǒng)比特率 和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，因此，在線路升級(jí)時(shí)，只需更換線路兩端的設(shè)備，而不需要 更換作中繼的 EDFA。 (4)在廣電網(wǎng)中使用可以使壹臺(tái)光發(fā)