光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)

1、1,光器件基礎(chǔ)知識,第一章 光纖通信簡介,1.1 光纖通信的基本含義和發(fā)展歷程,光纖通信利用激光作為信息的載波信號并通過光導(dǎo)纖維來傳遞信息的通信系統(tǒng) 。 發(fā)展歷程 ,我國周朝 烽火臺 1880年 貝爾發(fā)明光電話 （利用光載波信號來傳送話音 ）,2,光器件基礎(chǔ)知識,1960年 世界上第一臺激光器研制成功 1970年 第一根低損耗光纖（20dB/Km）研制成功 （美國康寧公司 ）；美國貝爾實驗室成功研制能在室溫條件下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器 1974年 美國貝爾實驗室成功研制出損耗為1dB/Km的光纖 （化學(xué)氣相沉積法（MCVD） ）,3,1976年日本電話電報公司研制出損耗更低的光纖（0.5dB/

2、Km） 20世紀(jì)70年代末期光纖通信系統(tǒng)實現(xiàn)第一次業(yè)務(wù)運營 20世紀(jì)80年代后期 光纖損耗已經(jīng)降低到0.16dB/Km 1988年 第一條跨大西洋光纜投入運營,光器件基礎(chǔ)知識,4,光器件基礎(chǔ)知識,1.2 光纖通信的主要優(yōu)點,通信容量大 光纖的可用帶寬較大，一般在10GHz以上；而金屬電纜存在的分布電容和分布電感實際上起到了低通濾波器的作用，限制了電纜的傳輸頻率、帶寬以及信息承載能力。 傳輸距離長 光纜的傳輸損耗比電纜低，因而可傳輸更長的距離。,5,抗電磁干擾 光纖通信系統(tǒng)避免了電纜由于相互靠近而引起的電磁干擾。光纖的材料是玻璃或塑料，都不導(dǎo)電，因而不會產(chǎn)生磁場，也就不存在相互間的電磁干擾。 抗

3、噪聲干擾光纖不導(dǎo)電的特性還避免了光纜受到閃電、電機、熒光燈及其他電器源的電磁干擾（EMI），外部的電噪聲也不影響光頻的傳輸能力。此外，光纜不輻射射頻（RF）能量的特性也使它不會干擾其他通信系統(tǒng)。（所以現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事上） 適應(yīng)環(huán)境光纖對惡劣環(huán)境有較強的抵抗能力。它比金屬電纜更能適應(yīng)溫度的變化，腐蝕性的液體或氣體對其影響也較小。 重量輕、安全、易敷設(shè),光器件基礎(chǔ)知識,6,光器件基礎(chǔ)知識,保密光纖不向外輻射能量，很難用金屬感應(yīng)器對光纜進行竊聽。 壽命長,1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成與發(fā)展概況,基本組成光發(fā)送機、光接收機、光纖（光纜）和各種耦合器件,7,光器件基礎(chǔ)知識,以點到點的光纖通信系統(tǒng)為例

4、,8,發(fā)展概況,光器件基礎(chǔ)知識,第1代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)70年代末大量投入運營，由0.85m的光源和多模光纖構(gòu)成。 第2代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)80年代初，采用1.3m的半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管作為光源，再加上多模光纖。 第3代光纖通信系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代后期以來，采用1.55m作為工作波長，以色散位移光纖作為傳輸媒介。 第4代光纖通信系統(tǒng)采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，現(xiàn)已開始投入運營。,9,光器件基礎(chǔ)知識,第5代光纖通信系統(tǒng)基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子研究，經(jīng)過20多年的研究發(fā)展，有了突破性進展。,光纖通信系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了5代的發(fā)展，但目前應(yīng)用最為廣泛的不外乎兩種

5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 點到點的直接強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)（根據(jù)傳輸信號的性質(zhì)不同，又可分為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)兩種）； 波分復(fù)用（WDM）光纖通信系統(tǒng)。,10,第二章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識簡介,光器件基礎(chǔ)知識,2.1 原子的能級結(jié)構(gòu),原子由原子核和核外電子組成。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。原子核所帶的正電與核外電子所帶的負(fù)電的總和相等。因此，整個原子呈電中性 。 電子在原子中的運動軌道是量子化的 。（軌道的量子化是指原子中的電子以一定的幾率出現(xiàn)在各處，即原子中的電子只能在各個特定軌道上運行，不能具有任意軌道；電子的能量不能取任意值，而是具有確定的量子化的某些離散值，是不連續(xù)的。這

6、些分立的能量值叫做原子的能級 ）,原子結(jié)構(gòu)模型圖,11,粒子分立能級示意圖,當(dāng)原子中電子的能量最小時，整個原子的能量最低，這個原子處于穩(wěn)態(tài)，稱為“基態(tài)”；當(dāng)原子處于比基態(tài)高的能級時，稱為“激發(fā)態(tài)”。 通常情況下，大部分原子處于基態(tài)，只有少數(shù)原子被激發(fā)到高能級，而且，能級越高，處于該能級上的原子數(shù)越少。,光器件基礎(chǔ)知識,12,2.2 固體的能帶結(jié)構(gòu),光器件基礎(chǔ)知識,電子的共有化：,在正常狀態(tài)下，原子中的電子并不能都處于最低能級上。因為泡利不相容原理指出，每一能級上至多只能有兩個電子，而且它們的自旋方向還必須相反。 能量愈高，相鄰能級的間隔就越小，電子從下一能級過渡到上一能級也就越方便。當(dāng)電子從原

7、子中掙脫出來，而進入離子化狀態(tài)后，這時能量已沒有一級一級的差別，而在能量圖上形成一個能量連續(xù)的區(qū)域，這時電子可以自由運動，所以稱為自由電子。,13,電子的共有化是一種量子效應(yīng)而非古典的性質(zhì)由于原子離得很近，每個電子不僅受到本身原子核的作用，還受到相鄰原子核的作用。這種作用對于內(nèi)電子和價電子的影響是不一樣的。內(nèi)電子被本身原子核牢牢地束縛著，所以所受的影響并不顯著。價電子卻不然，它的軌道大小和相鄰原子間的距離是相同數(shù)量級的，所以所受的影響很顯著。按照古典物理，電子是不能從一個原子轉(zhuǎn)入另一個原子里去的；而量子力學(xué)卻容許電子通過隧道效應(yīng)進入另一個原子。這樣，價電子就不再分別屬于各個原子，而被整個晶體中

8、原子所共有，這就是電子的共有化。,2. 能帶的形成：,量子力學(xué)證明，晶體中電子共有化的結(jié)果，使原先每個原子中具有相同能量的電子能級，因各原子的相互影響而分裂為一系列和原來能級很接近的新能級，這些新能級基本上連成一片，而形成能帶。 能帶中不允許存在能量狀態(tài)的區(qū)域稱為帶隙（也叫禁帶），帶隙寬度用電子伏特（eV）表示。,光器件基礎(chǔ)知識,14,帶隙下方與價電子對應(yīng)的低能量區(qū)稱為價帶，它是由價電子能級分裂形成的能帶。 價帶上方高能量區(qū)稱為導(dǎo)帶（價帶中的能級若沒有被電子全部填滿，電子可以進入未被填充的高能級，從而形成定向電流。這樣的能帶稱為導(dǎo)帶）。 導(dǎo)帶底的電子能量比價帶頂?shù)碾娮幽芰扛?，其值等于帶隙寬度E

9、g（簡稱帶隙的能量）。 能帶中的各個能級都被電子所填滿的能帶，稱為滿帶。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用。,光器件基礎(chǔ)知識,導(dǎo)帶,晶體的能帶結(jié)構(gòu),15,3. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu) ：,光器件基礎(chǔ)知識,導(dǎo)體電阻率為10-8102歐姆米的物體； 絕緣體電阻率為1081016歐姆米的物體； 半導(dǎo)體電阻率則介于導(dǎo)體與絕緣體之間，如硅、硒、碲、鍺、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各種金屬氧化物和其他許多無機物質(zhì)。 從本質(zhì)上說，半導(dǎo)體和絕緣體在能帶結(jié)構(gòu)上沒有什么差別。不過半導(dǎo)體的帶隙較窄，約從十分之幾eV到1.5eV，而絕緣體的帶隙較寬，約從1.5eV到十個eV。在任何溫度下，由于電子的熱運動，將使一

10、些電子從滿帶越過禁帶，激發(fā)到導(dǎo)帶里去。因為導(dǎo)帶中的能級在被熱激發(fā)電子占據(jù)之前是空著的，所以電子進入導(dǎo)帶后，就有機會在電場作用下，沿著電場相反的方向運動，去占據(jù)新的能級。這種定向運動的結(jié)果就使晶體能夠?qū)щ姟＝^緣體的禁帶一般很寬，所以在一般溫度下，從滿帶熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)是微不足道的，這樣，它的外在表現(xiàn)便是電阻率很大。半導(dǎo)體的禁帶較窄，所以在一般溫度下，熱激發(fā)到導(dǎo)帶去的電子數(shù)也較多，電阻率因而較小。,16,光器件基礎(chǔ)知識,導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，不僅在電阻率的數(shù)量上有所不同，而且還存在著質(zhì)的區(qū)別。有些導(dǎo)體，并沒有價帶存在，一些被電子占有的能級和空著的能級緊緊地挨在一起；另一些導(dǎo)體，雖然也有價帶，但這些

11、價帶和導(dǎo)帶交迭在一起形成一個統(tǒng)一的寬能帶。在這些情形里，如有外電場作用，它們的電子很容易從一個能級躍遷到另一能級，而顯示出很強的導(dǎo)電能力，因而電阻率也就很小。,4. 半導(dǎo)體的特性 ：,半導(dǎo)體之所以能成為制作半導(dǎo)體元器件的材料，并不是因為它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于它具有一些獨特的導(dǎo)電性能。如光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和溫差電效應(yīng)等。,本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。它的導(dǎo)電性取決于價帶中電子向?qū)У能S遷。因此，在外電場作用下，既有發(fā)生在到導(dǎo)帶中的電子的定向運動，又有發(fā)生在價帶中的電子的定向運動，它兼具電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的兩種機構(gòu)，這類導(dǎo)電性稱為本征導(dǎo)電。,17,自由電子和

12、空穴在絕對溫度0K(即-273)，又無外部激發(fā)時，由于共價鍵中的價電子被束縛著，半導(dǎo)體中沒有可以自由運動的帶電粒子載流子。因此，即使有外電場的作用也不能產(chǎn)生電流。此時的半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。但是當(dāng)有外部激發(fā)，如溫度升高或光照時，就會使一些價電子獲得能量后，掙脫共價鍵的束縛，而成為自由電子，也叫電子載流子，電荷量為q。這種現(xiàn)象叫做本征激發(fā)。當(dāng)價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，在共價鍵中就留下一個空位子，叫空穴。如下圖所示。而鄰近的共價鍵內(nèi)的價電子就會跑過來填充，在原來的位置產(chǎn)生一新的空穴，這種情況相當(dāng)于空穴在移動?？昭ㄊ怯捎谑r電子形成的，所以它是帶正電的載流子。,光器件基礎(chǔ)知識,硅或鍺材料

13、的共價鍵結(jié)構(gòu),18,光器件基礎(chǔ)知識,雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺肷倭科渌兀ǚQ其為雜質(zhì)），就可制成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與本征半導(dǎo)體相比有了非常顯著的改變。雜質(zhì)既可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，還能夠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體兩種。因為電子帶負(fù)電，取英文單詞“Negative”的第一個字母，所以電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體；空穴帶正電，取英文單詞“Positive”的第一個字母，所以空穴型半導(dǎo)體又稱為P型半導(dǎo)體。,5. PN結(jié) ：,在一塊半導(dǎo)體的一端摻入受主雜質(zhì)，形成P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，形成N型半導(dǎo)體，于是在它們的交

14、界處，就形成了一個PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體器件的重要組成部分。,19,光器件基礎(chǔ)知識,PN結(jié)的形成在室溫下，P型半導(dǎo)體內(nèi)每一個受主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個空穴，同時形成一個負(fù)離子；N型半導(dǎo)體內(nèi)每一個施主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個自由電子，同時形成一個正離子。于是，在兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界處，由于P型半導(dǎo)體（又稱P區(qū)）內(nèi)空穴為多子，N型半導(dǎo)體（又稱N區(qū)）內(nèi)電子為多子，存在很大的濃度差，所以，空穴將越過交界面由P區(qū)向N區(qū)運動。同理，電子也會由N區(qū)向P區(qū)運動，通常把這種現(xiàn)象稱為擴散，如圖所示。,載流子分布濃度差引起擴散運動,20,光器件基礎(chǔ)知識,擴散運動的結(jié)果，一是進入對方區(qū)域后，多子身份變成為少子，很快就被復(fù)合掉了；另

15、一個是在交界面兩側(cè)留下了不能移動的正負(fù)離子區(qū)，亦稱空間電荷區(qū)，如下圖所示。,平衡狀態(tài)下的PN結(jié),21,光器件基礎(chǔ)知識,這個區(qū)域的載流子因擴散和復(fù)合而消耗掉了，所以又稱為耗盡區(qū)。在交界面兩邊的正負(fù)電荷間必然有電場存在，這個電場稱為內(nèi)建電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，它所產(chǎn)生的電位差UD（又叫接觸電位差）使N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位。由圖可見，這個電場具有阻止多數(shù)載流子擴散的作用。所以，人們又把耗盡區(qū)稱為勢壘區(qū)或位壘區(qū)。與此同時，內(nèi)電場將使N區(qū)的少子空穴向P區(qū)運動，使P區(qū)的少子電子向N區(qū)運動，通常把這種現(xiàn)象稱為漂移。漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。由擴散運動形成的電流，稱為擴散電流；由漂移運動

16、形成的電流，稱為漂移電流。這兩種電流方向相反。當(dāng)這兩種電流相等時，達(dá)到了動態(tài)平衡，此時勢壘區(qū)的寬度也就確定下來了。PN結(jié)就是指的勢壘區(qū)，通常很薄，約為數(shù)十微米，其接觸電位差的大小與半導(dǎo)體材料、摻雜濃度和環(huán)境溫度有關(guān)。在室溫下，硅材料PN結(jié)的接觸電位差UD0.60.8V，鍺材料PN結(jié)的UD0.10.3V，溫度每升高1，電位差降低約2mV。,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)外加正向電壓（PN結(jié)導(dǎo)通）,22,光器件基礎(chǔ)知識,電源電壓通過限流電阻加在半導(dǎo)體的兩端，其正極接P，負(fù)極接N。電源的這種接法稱為外加正向電壓，也叫正向偏置，簡稱“正偏”，如右圖所示。 由圖可知，外加電壓的極性與勢壘的極性相反。P區(qū)的多

17、子（空穴）在正極性電壓的驅(qū)使下進入勢壘區(qū)；N區(qū)的多子（電子）在負(fù)極性電壓的驅(qū)動下也進入勢壘區(qū)，這將使勢壘區(qū)的部分正、負(fù)離子被中和，導(dǎo)致勢壘區(qū)變窄，勢壘降低，有利于多數(shù)載流子的擴散運動，形成較大的擴散電流。但勢壘區(qū)的變窄，內(nèi)電場的減弱，卻不利于少子的漂移運動，致使漂移運動電流可以忽略。正向電壓下的電流稱為正向電流，因此正向電流主要由擴散電流構(gòu)成，它隨著正向電壓的增加而增大。,PN結(jié)外加正向電壓,23,光器件基礎(chǔ)知識,它的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：,其中：ID為流過PN結(jié)電流，U為PN結(jié)兩端的電壓，UT=kT/q稱為溫度電壓當(dāng)量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量，在室溫下（300K）時UT

18、=26mV，IS為反向飽和電流。所以，PN結(jié)加正向偏壓時是導(dǎo)電的,它所呈現(xiàn)的電阻為正向電阻。,2） PN結(jié)外加反向電壓 （PN結(jié)截止）,如果將外部電壓的負(fù)端接P區(qū)，正端接N區(qū)，稱為外加反向電壓，或稱反向偏置（反偏），如右圖所示。,PN結(jié)外加反向電壓,24,由于外加電壓的極性與勢壘極性相同，P區(qū)的空穴將離開勢壘區(qū)向電源負(fù)極運動；N區(qū)電子也將離開勢壘區(qū)向電源正極運動，于是在勢壘區(qū)就出現(xiàn)了更多的正、負(fù)離子，使勢壘區(qū)展寬，勢壘增高，必然對多子的擴散產(chǎn)生影響，使擴散電流減少，隨著外加電壓的增加，擴散電流很快減到零。剩下的漂移電流，則基本上不隨外加電壓而改變。這是因為漂移電流是由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的，

19、當(dāng)溫度一定時，便是一個定值。反向電壓作用下的漂移電流，稱為反向電流，由于它不隨反向電壓而改變，故稱為反向飽和電流。因此，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，基本上是不導(dǎo)電的。這時我們稱“PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)”，其呈現(xiàn)的電阻為反向電阻，而且阻值很高。但當(dāng)溫度升高時，由于本征激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子增多，反向電流也就增大。溫度每升高1時，反向電流增加約7。因為（1.07）102，故可認(rèn)為，溫度每升高10時，反向電流增加一倍。 由以上我們可以看出：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?光器件基礎(chǔ)知識,25,3） PN結(jié)的伏安特性,光器件基礎(chǔ)知識,單向?qū)щ娛荘

20、N結(jié)的重要特性。這一特性可以用以下方程描述：,式中：U為PN結(jié)兩端外加電壓，I為流過PN結(jié)的電流，IS為反向飽和電流，UTKT/q為溫度的電壓當(dāng)量，其中k1.3810-23J/K為玻耳茲曼常數(shù)，q1.610-19庫侖為電荷量，T為絕對溫度。在常溫（300K）下，UT26mV。根據(jù)方程繪出的伏安特性曲線如下圖所示。,26,光器件基礎(chǔ)知識,PN結(jié)的反向擊穿,在測量PN結(jié)的伏安特性時，如果外加的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流會突然增加，如下圖所示。我們把這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿，發(fā)生擊穿所需要的電壓稱為擊穿電壓UB。PN結(jié)被擊穿后，如果對其電流不加限制，PN結(jié)有可能由于過熱而造成永久性損壞。

21、,27,6. 激光產(chǎn)生的基本原理：,光器件基礎(chǔ)知識,光的輻射和吸收,光的吸收,假設(shè)某原子最初處于基態(tài)能級Em，用一束能量為hmn的光子流照射它，則原子就有可能吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)能級En，這種過程稱為光的吸收。 （發(fā)生吸收過程的必要條件是：入射光子的能量必須等于原子的兩個能級的能量差，即hmnEnEm。原子吸收一個光子而從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程也稱為原子的激發(fā)。但是滿足上述hmnEnEm的光子不一定都能使原子躍遷到高能級的受激態(tài)中去。因為這里還有個躍遷的幾率問題。各個能級的躍遷幾率有的很大，有的很小，而有些能級的激發(fā)甚至是被“禁止”的。所有這些都決定于原子本身的運動規(guī)律。）,2

22、8,光的自發(fā)輻射,光器件基礎(chǔ)知識,原子吸收了外界能量而躍遷到激發(fā)態(tài)，這個激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短，通常約為10-8秒的數(shù)量級。在這期間內(nèi)，它們很快地在沒有外界作用情況下，自發(fā)地輻射出光子來，從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)。這種現(xiàn)象就稱為自發(fā)輻射。,自發(fā)輻射的特點在于：這種過程與外界作用無關(guān)，各個原子的輻射都是自發(fā)地、獨立地進行的，因而各個光子的發(fā)射方向和初相位都不相同。此外，由于大量原子所處的激發(fā)態(tài)不盡相同，可以發(fā)射出不同頻率的光，所以自發(fā)輻射的頻率范圍很廣。這就是普通光源的發(fā)光機理。由此可見普通光源發(fā)出的光，光子的簡并度是很低的，具有一系列不同的頻率和不同的初相位，其單色性極差，而

23、且彼此不能相干。,29,光的受激輻射,光器件基礎(chǔ)知識,處于激發(fā)態(tài)能級上的原子，如果在它發(fā)生自發(fā)輻射以前，收到外來的、能量為hmnEnEm的光子的刺激作用，就有可能從En躍遷到Em，同時輻射出一個與外來光子同頻率、同相位、同方向、同偏振態(tài)的光子，這一過程稱為受激輻射。,受激輻射必須要在一定頻率（mn）的外來入射光子的作用下才會發(fā)生，而受激輻射過程中所發(fā)出的光子的性質(zhì)、狀態(tài)等都與外來光子完全相同。,經(jīng)過受激輻射，輻射光與入射光同相位、同頻率、同方向、同偏振態(tài)，相互疊加而使強度變強，即入射光得到了放大。受激輻射引起光放大正是激光產(chǎn)生機構(gòu)中的一個重要基本概念。,30,2. 產(chǎn)生激光的基本條件,粒子數(shù)反

24、轉(zhuǎn),光器件基礎(chǔ)知識,從以上關(guān)于自發(fā)輻射和受激輻射的討論中，我們可以看到，普通光源的發(fā)光機構(gòu)是自發(fā)輻射占統(tǒng)治地位。然而，激光器的發(fā)光卻主要是受激輻射。那么我們怎樣才能在一個發(fā)光系統(tǒng)中，造成受激輻射的主導(dǎo)地位，而使其發(fā)出激光來呢？,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件有： 要有可用來進行粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）； 具有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)（存在亞穩(wěn)態(tài)能級，壽命10-3S）； 能夠從外界輸入能量使工作物質(zhì)激活（稱為“激勵”、也叫“抽運”或“光泵”），使物質(zhì)中盡可能多的粒子吸收能量后躍遷到高能級上去。,31,以三能級系統(tǒng)為例，具體介紹實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法：,光器件基礎(chǔ)知識,激勵能源將基態(tài)E1上的原子激勵到激發(fā)態(tài)能級

25、E3。,原子通過碰撞把能量轉(zhuǎn)移給晶格而無輻射地躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2（原子的壽命約為10-3S）。隨著亞穩(wěn)態(tài)E2上的原子數(shù)不斷增加，而基態(tài)E1上的原子數(shù)不斷減少，于是在亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1兩能級之間實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,32,2）光學(xué)諧振腔,光器件基礎(chǔ)知識,為使受激輻射持續(xù)下去，持續(xù)地獲得激光輸出，必須采用光學(xué)諧振腔。,初始誘發(fā)原子發(fā)生受激輻射的光子來源于自發(fā)輻射，因而此時的受激輻射是隨機的，所輻射光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都是互不相關(guān)的。光學(xué)諧振腔的作用就是可以使某一方向和頻率的光子享有最優(yōu)越的條件進行放大。,常用的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì)的兩端放置兩塊互相平行的反射鏡。參看下圖，（a）表示處于

26、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在自發(fā)輻射，向各個方向發(fā)射光子。其中，凡偏離諧振腔軸線方向運動的光子最終均會溢出腔外，只有沿軸線方向運動的光子，在腔內(nèi)來回反射，產(chǎn)生連鎖式的光放大。（b）表示光遇到諧振腔的反射鏡之后，一部分輸出，一部分又反射回去，又得到放大。（c）則表示光在諧振腔內(nèi)來回反射，每來回一次都得到一定的放大，而使光的強度越來越強，光束越強，則處于激發(fā)態(tài)的原子受激輻射就越多。由于諧振腔的這種作用，最終將從部分反射鏡射出一束極強的光束“激光”（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。,33,光器件基礎(chǔ)知識,3）閾值

27、條件,如右圖所示：,設(shè)增益介質(zhì)單位長度的小信號增益系數(shù)為g0，損耗系數(shù)為i，兩個反射鏡的反射率為r1和r2 ， 為光學(xué)諧振腔的平均損耗系數(shù)，它包括增益物質(zhì)的本身損耗和通過兩個反射鏡的傳輸損耗，其中包括了有用光的輸出。,激光器起振條件：,34,閾值條件：,光器件基礎(chǔ)知識,4）相位條件,要產(chǎn)生激光振蕩，除了要滿足閾值條件以外，還要滿足相位平衡條件，即激光器必須工作在諧振腔的工作模式上。當(dāng)平行平面諧振腔體內(nèi)的光沿著腔軸的方向在腔內(nèi)的兩個反射面之間來回傳播時，從反射鏡1射向反射鏡2的光波，和從反射鏡2射向反射鏡1的光波，正好是沿著相反方向傳播的，因此，光在腔內(nèi)部 沿著腔的軸向?qū)⑿纬筛缮?，多次往?fù)反射時

28、，就會發(fā)生多光束干涉。為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，就要求光波能因干涉而得到加強以形成正反饋。,發(fā)生加強干涉以形成正反饋的條件是 ：波從某一點出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時，應(yīng)與初始出發(fā)波同相，即相差為2的整數(shù)倍。,35,光器件基礎(chǔ)知識,激光器的相位平衡條件 ：,（又稱為光腔的駐波條件）,其中，q=1,2,3,；q為q值對應(yīng)的波長；L為腔的光學(xué)長度。,當(dāng)整個光腔內(nèi)充滿折射率為n的均勻工作物質(zhì)時：,式中，L為腔的幾何長度。通常由不同的q值代表不同的縱向模式，稱為激光器的縱模。,36,光器件基礎(chǔ)知識,縱模間隔（相鄰兩個縱模的頻率之差f）：,f與q無關(guān)，對于一定得光腔為常數(shù)，因而縱模在頻率尺度上是

29、等距離排列的。,（激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸的方向，這是平面波偏離軸向傳播時產(chǎn)生的橫向電磁場模式，簡稱橫模，以TEMmn命名，m，n為橫模指數(shù)。下圖示出了三種TEMmn模的電場分布和光斑。由于光學(xué)諧振腔中的光線基本上是平行于腔軸面?zhèn)鞑サ模恢懈髂Ｊ降目v向場分量比橫向場分量小的多，因此激光器中的場近似地為橫電磁波，記為TEMmnq，q為縱模指數(shù)。其中TEM00q為基橫模，它具有最大的相干性和最高的頻譜純度，光束的發(fā)散角也最小，光能集中于中心，易于與光纖耦合，耦合效率高，損耗小。）,37,光器件基礎(chǔ)知識,第三章 光發(fā)射器件和組件,3.1 半導(dǎo)體激光器（LD）和激光器組件,半導(dǎo)體激光器的分類 ,

30、法布里帕羅（FabryPerot，F(xiàn)-P）型激光器 分布反饋（Distributed Feedback，DFB）型激光器 分布布拉格（DBR）型激光器 量子阱（QW）型激光器 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等,38,光器件基礎(chǔ)知識,半導(dǎo)體激光器組件,上節(jié)我們介紹的幾種半導(dǎo)體激光器，實際上只是我們通常所說的激光器組件的一個重要元件，如果沒有組件中其他元件，單一的激光器芯片是沒有任何實用性的。 所謂激光器組件，是指在一個密閉結(jié)構(gòu)中（如管殼內(nèi)），除激光器（LD）芯片外，還配置其他元件以及一些為實現(xiàn)LD工作所必要的電路結(jié)構(gòu)的集成器件。 其他元件和必要電路可能包括： 光隔離器：其作用是防止LD輸出的激

31、光反射影響，實現(xiàn)激光的單向傳輸，它位于LD的激光輸出邊。有自由空間型隔離器和尾纖型隔離器等，根據(jù)偏振形式又可分為偏振相關(guān)和偏振無關(guān)兩種類型。 背光監(jiān)視光電二極管：其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，是APC（自動功率控制）電路中需要用到的必不可少的元件之一。它位于LD的背面出光面。 尾纖和連接器：根據(jù)不同的需要，選擇不同的尾纖和連接器。,39,4） LD的驅(qū)動電路（包括電源和LD芯片之間的阻抗匹配電路）。 5） 熱敏電阻：其作用是根據(jù)熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律，通過監(jiān)測其阻值的變化來監(jiān)測組件內(nèi)部的溫度變化。在有致冷的組件中，它是ATC（自動溫度控制）電路的重要元件之一。 6） 熱電致冷器（TE

32、C）：一種半導(dǎo)體熱電元件，通過改變熱電元件的極性可以達(dá)到加熱和致冷的目的。 根據(jù)具體需要，激光器組件內(nèi)部元件會有很大差別，同時所采取的封裝形式也會有所不同。所謂封裝，是指將形成一個激光器組件所必須的元件和電路部分結(jié)合在一起組成最終的可直接使用的產(chǎn)品的工藝過程。不同的封裝形式（比如同軸封裝和蝶型封裝），其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程是不一樣的；即使同一種同軸封裝，尾纖型和插拔型的生產(chǎn)工藝過程也是迥然不同的。在此，我們不就各種封裝工藝做具體介紹，因為這涉及到很多其他方面內(nèi)容。我們只就公司現(xiàn)有產(chǎn)品簡要介紹一些主要的封裝形式，讓大家能有一個了解。,光器件基礎(chǔ)知識,40,光器件基礎(chǔ)知識,Butterfly 蝶型封裝

33、激光器組件,Pigtailed Coaxial 同軸尾纖型封裝激光器組件,41,光器件基礎(chǔ)知識,同軸插拔型封裝（TOSA Package）,42,光器件基礎(chǔ)知識,3.2 半導(dǎo)體激光器組件的常用參數(shù)和測試方法,半導(dǎo)體激光器組件的絕對最大額定值,絕對最大額定值是指：在任何情況下都不能超過的極限值，超過這些極限值可能導(dǎo)致器件的立即破壞或永久損壞。所有光電參數(shù)最大的額定值都是在25大氣環(huán)境下確定的。,它包括下面幾項： 存貯溫度（Tstg）：指當(dāng)器件存貯在一個非工作條件中時，絕對不能超過的溫度（大氣環(huán)境）范圍。 工作的管殼溫度（TOP）：指當(dāng)器件在處于工作狀態(tài)時，絕對不能超過的管殼溫度范圍 光輸出功率（

34、P0或Pf）：指從一個未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。尾纖型組件既是指尾纖輸出功率；插拔型組件既是指插拔端口輸出功率。,43,光器件基礎(chǔ)知識,正向電流（IF）：指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向電流。 反向電壓（VR）：指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 背光監(jiān)測光電二極管反向電壓（VD）：指可以施加到背光監(jiān)測的光電二極管上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 激光器組件的絕對最大額定值雖然不是我們需要測試的項目，但是我們必須對其要有充分的了解，因為我們測試時直接接觸的就是各種組件，我們的每一步操作都必須嚴(yán)格限制在各種組件的絕對最大額定值范圍以內(nèi)，否則，就有可

35、能對器件造成永久性損或損壞。,44,2. 半導(dǎo)體激光器組件的光電特性參數(shù)及其測試方法,光器件基礎(chǔ)知識,激光器組件的光電特性參數(shù)一般都是在25管殼溫度下（或在有致冷器組件的激光器芯片上）確定的，除非另做詳細(xì)說明。其主要光電特性參數(shù)有以下幾項：,P-I-V特性： 激光器組件的P-I-V特性指的是：其輸出光功率和正向輸入電流以及正向電壓之間的關(guān)系。是激光器組件的重要特性之一，它反映出激光器組件的多項性能指標(biāo)。我們現(xiàn)在所使用的測試系統(tǒng)如ILX、KEITHLEY、武漢理工大學(xué)等都具備測試P-I-V特性的功能。 P-I-V特性的基本測試方法和原理：,45,如圖所示，其中，D為被測激光器；ATC為自動溫度控

36、制裝置；G為直流電流源；V為電壓表；mA為電流計；P為光功率計；Rc為保護電阻。 測試時，開啟ATC自動溫度控制電路（對于無致冷器件，規(guī)定測試時管殼溫度為25），設(shè)置直流電源輸入電流按適當(dāng)步長增加。通過計算機掃描其各個電流值時的輸出光功率和正向電壓值并繪制出PIV曲線。然后通過一定的計算方法，對曲線及數(shù)值進行計算，從而得出各項指標(biāo)參數(shù)。我們現(xiàn)在所使用的測試系統(tǒng)就是按照該測試原理將各個設(shè)備集成化的產(chǎn)品。,光器件基礎(chǔ)知識,PIV特性測試原理框圖,46,光器件基礎(chǔ)知識,測試項目： 正向電壓（VF）：指當(dāng)正向驅(qū)動電流為一確定值時（如對于某些LD，IFIth20mA），對應(yīng)的激光器的正向壓降。也可以認(rèn)為

37、是指激光器組件在額定輸出光功率P0處的正向壓降。 伏安（VI）特性：激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的特性。通過測試激光器的VI特性，可以反映出其結(jié)特性的優(yōu)劣，同時通過大電流下的正向VI特性，我們還可以估算出其串聯(lián)電阻值。下圖示出了一般激光器的VI曲線。,47,光器件基礎(chǔ)知識,PI曲線、閾值電流：PI曲線指的是激光器組件輸出光功率與注入正向電流的關(guān)系曲線。如右圖所示。隨著正向電流的增加，激光器首先是漸漸地增加自發(fā)輻射，直至它開始發(fā)射受激輻射，產(chǎn)生激光。我們把激光器開始產(chǎn)生激光發(fā)射時的正向驅(qū)動電流稱之為閾值電流。用符號Ith表示。 注：閾值電流的測試方法是依據(jù)PI曲線的測試數(shù)據(jù)，通過一定

38、的計算方法得出的。 主要計算方法有下面兩種：,PI曲線上分別作出熒光輻射段與激光輻射段的切線，其交點所對應(yīng)的電流值即為被測激光器的閾值電流值。 在PI曲線上作出輸出輻射光功率對正向電流的二階導(dǎo)數(shù)曲線，該曲線上出現(xiàn)第一個極大值點所對應(yīng)的正向電流值即為被測激光器的Ith。,48,光器件基礎(chǔ)知識,激光器組件輸出光功率的線性度（）：輸出光功率的線性度是衡量實際輸出光功率偏離理論輸出光功率的一個量。用百分?jǐn)?shù)表示。目前可接受的計算方法有三種：,一次微分法：通過對PI曲線微分并規(guī)定限制微分變化測量所有線性。測量過程可與拐點（Kink點）測試一起完成。 如左圖所示。 諧波法：通過把光電曲線變換為頻譜曲線，能夠

39、識別其非線性特征。通過把激光器偏置設(shè)置在50最大額定光功率輸出，并在整個運行范圍內(nèi)用正弦調(diào)制信號來掃描可以完成這種變換。此方法必須使用線性的探測器來探測光輸出。探測器的電輸出被送到頻譜分析儀。其反應(yīng)出來的二階（三階或更高階）諧波就是其非線性的證據(jù)。（此方法一般在測量模擬傳輸用的高線性器件時才用到。）,49,光器件基礎(chǔ)知識,c. 圖形分析法：標(biāo)出PI曲線上對應(yīng)的10及額定光功率點，通過兩點畫一直線并測量實際PI曲線偏離這條線的最大變化。如左圖所示。功率線性度可表示為,拐點（Kink點）：指的是PI曲線上光功率出現(xiàn)非線性變化的點。其測試方法如前介紹光功率線性度時所述，通過一階微分法。通過選取足夠小

40、的電流步長（0.25mA），對PI曲線進行一階微分。其導(dǎo)數(shù)曲線圖可以說明其拐點位置和線性度范圍。,50,光器件基礎(chǔ)知識,光輸出飽和度：光輸出飽和度是指理想的線性響應(yīng)光輸出的跌落。如果PI曲線上有過多的彎曲（也稱“翻轉(zhuǎn)”），則認(rèn)為該激光器的光輸出是飽和的。同樣，我們可以通過一階微分法，計算曲線上的最大的跌落即可測量出飽和度。 PI曲線的斜率（）：我們使用半導(dǎo)體激光器，除了希望低的閾值電流（Ith）外，還希望使用最小的電流就能得到越來越大的光輸出功率。也就是說，在慢慢地注入電流后，能夠獲得快速增加的光功率。這就是我們通常所說的斜向效率。即是指在Ith以上的PI曲線的斜率，用P/I表示。其單位是W

41、/A或mW/mA。其測試方法如右圖所示。,51,光器件基礎(chǔ)知識,特征溫度（T0）：在大多數(shù)應(yīng)用中，總是希望激光器能在溫度升高時繼續(xù)正常工作，尤其是大功率激光器更是如此。表征這種性能的參數(shù)就是特征溫度，用T0表示。它是衡量激光器對溫度敏感度的一個參數(shù)。較高的意味著當(dāng)溫度快速升高時，激光器的Ith和P/I變化不大。也可將T0理解為激光器的熱穩(wěn)定性。其測試方法是在各種溫度下測量激光器的PI曲線，然后將結(jié)果列表，然后計算出T0的值。如左圖所示，首先我們在不同溫度下測出相應(yīng)的PI曲線。然后，通過下式求出T0值。,52,光器件基礎(chǔ)知識,右圖是通過圖解法來求T0的方法：,通過擬合直線，計算其斜率即可得出T0

42、值。,53,光器件基礎(chǔ)知識,2） 背光探測器監(jiān)測光電流Im： 激光器組件內(nèi)部通常都帶有背光探測器，其作用就是通過監(jiān)測激光器背光變化來反饋給APC電路以達(dá)到控制激光器正向光穩(wěn)定輸出的目的。這項指標(biāo)的測試現(xiàn)在也已經(jīng)集成到了我們所使用的PIV測試系統(tǒng)中。其測試原理如下圖所示。,54,3） 光譜特性： 光譜其實就是一種電磁波譜，電磁波譜分為長波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時覆蓋此區(qū)域。,光器件基礎(chǔ)知識,55,光器件基礎(chǔ)知識,測試原理如右圖所示。其中M為光譜儀。,測試項目：,峰值波長（P）在規(guī)定輸出光功率時，

43、光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長被稱為峰值波長（P）。 中心波長（c）在激光器光譜中，連接50最大幅度值線段的中點所對應(yīng)的波長稱為中心波長（c）。 平均波長（mean）所有光譜模式的加權(quán)平均值，把幅度大于峰值2的模式均計 。,56,d） 光譜寬度（）在規(guī)定輸出光功率時，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長被稱為峰值波長（P）。 對于不同類型的激光器產(chǎn)品，我們采用不同的計算方法。如FP型（多縱模）激光器組件，采用ITU-TG.957建議的最大均方根（RMS）寬度定義。在規(guī)定的光輸出功率下測量光譜寬度。其值由下式確定：,光器件基礎(chǔ)知識,如DFB型（單縱模）激光器組件，采用ITU-TG.95

44、7建議的最大20dB寬度來定義。即在規(guī)定光輸出功率下主模中心波長的最大峰值功率跌落20dB時的最大全寬定義為。,57,e） 邊模抑制比（SMSR）在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時最高光譜峰強度與次高光譜峰強度之比。該參數(shù)僅用于單頻（單縱模）激光器，如DFB激光器的光譜測試中。 f）中心波長的溫度依賴性激光器的中心波長比例于它的工作溫度，隨溫度升高，激光器的中心波長會隨之增加。下圖示出了DFB激光器的中心波長隨溫度漂移的示意圖。,光器件基礎(chǔ)知識,58,4） 激光器組件的調(diào)制特性：,光器件基礎(chǔ)知識,測試項目：,調(diào)制電流（Imod）調(diào)制電流等于達(dá)到額定輸出光功率時所需的總電流

45、值（I）減去閾值電流（Ith），即：ImodIIth。 上升（tr）、下降（tf）時間上升、下降時間是指激光器輸出光功率的脈沖響應(yīng)時間。把光脈沖的上升時間定義為從額定光功率的10上升到90所需的時間；把光脈沖下降時間定義為從額定光功率的90下降到10所需的時間，如左圖所示。通常把偏置電平設(shè)在Ith或稍高于Ith。對激光器來說，總是希望由小的上升、下降時間。,59,光器件基礎(chǔ)知識,其測試原理圖如下： （其中G1為脈沖發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；C1、C2為耦合電容；M為測量儀表（例如示波器、頻譜分析儀）；R為匹配電阻；SYN為同步信號；L為電感。）,60,光器件基礎(chǔ)知

46、識,c） 開通延時（ton）開通延時是調(diào)制的光脈沖上升沿在電信號為“開”后到達(dá)全幅度10所對應(yīng)的時間。 d） 存貯時間（tS）： 存貯時間是調(diào)制的光脈沖下降沿在電信號為“閉”后到達(dá)全幅度90所對應(yīng)的時間。,5） 激光器組件的小信號頻率特性（截止頻率fc）：,其測試原理如右圖所示。其中G1為頻率可調(diào)正弦交流發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；R為匹配電阻；C1、C2為耦合電容；M為測量儀器；L為電感。,61,光器件基礎(chǔ)知識,測試時，給被測激光器組件施加直流偏置電流，并迭加交變正弦調(diào)制電流。保持交變調(diào)制電流恒定，增加調(diào)制頻率，直到光電二極管探測器的交流輸出信號下降3dB，此時所

47、對應(yīng)的頻率為截止頻率fc。如下圖所示。 （注意，測試所用的光電二極管探測器的頻率響應(yīng)應(yīng)大于激光器截止頻率；同時為防止交流輸出信號失真，交變調(diào)制正弦信號應(yīng)足夠小。 ）,62,光器件基礎(chǔ)知識,6） 激光器組件的相對強度噪聲（RIN）：,由于激光器諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固定的量子噪聲，這種量子噪聲一般用相對強度噪聲來度量，即光強度脈動的均方根與平均光強度平方之比，公式如下：,由于RIN的存在，會影響光纖傳輸系數(shù)的信號質(zhì)量。對光CATV系統(tǒng)而言，要求RIN小于150dB/Hz。在確定RIN時，應(yīng)畫出RIN與頻率或工作電流的關(guān)系曲線，如右圖所示。用下面公式可計算RIN：

48、,63,其中Pn是有光時的噪聲功率；Pno是無光時的噪聲功率；G是放大器增益；Bn是光譜分析儀的噪聲帶寬；Z0是光電二極管探測器的負(fù)載電阻；是平均的光電流（有光時）；e是電子電荷（1.610-19庫侖）。,光器件基礎(chǔ)知識,該指標(biāo)的測試原理如下圖所示。其中M為頻譜分析儀。,64,7） 組合二階失真和組合三階差拍（CSO和CTB） ： 當(dāng)把多個RF信號（載波）應(yīng)用到器件時，會出現(xiàn)疊加失真，在光纖CATV中，這個問題特別突出。所以對光纖CATV的激光器組件提出了關(guān)于疊加失真的重要要求。 組合二階失真（CSO）落在一個頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的二階互調(diào)產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率之比。其表達(dá)式為：,

49、光器件基礎(chǔ)知識,組合三階差拍（CTB）落在一個頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物和三階差拍產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率之比。其表達(dá)式為：,65,光器件基礎(chǔ)知識,8） 跟蹤誤差（TE）： 跟蹤誤差指的是在兩個不同管殼溫度條件下的光纖輸出功率的比值，用以衡量器件耦合效率的穩(wěn)定性。其測試方法為在保持恒定的背面光電流（典型值為200A）的條件下，先測量25時的光功率，再測量預(yù)期的工作溫度的兩個極值（典型值為0和65）時的光功率。其計算方法如下：,式中Pi為兩個溫度極值下的光功率。i1或2。,66,3.3 發(fā)光二極管（LED）和發(fā)光二極管組件,光器件基礎(chǔ)知識,LED的基本工作原理 ： 作為光纖通信

50、中光源的發(fā)光二極管（LED），它在工作原理上與半導(dǎo)體激光器（LD）的根本區(qū)別是：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射而發(fā)出光的。兩者在結(jié)構(gòu)上的主要差別是：LED沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光，它的發(fā)光僅限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光。 2. LED的特性及測試方法： 與LD相比，由于兩者在發(fā)光機理和結(jié)構(gòu)上存在差異，因此使得它們在主要性能上也存在明顯差異。如：LED不存在閾值，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；由于自發(fā)輻射的隨機性，致使LED的光譜寬度較寬；光束發(fā)散角較大，與光纖耦合效率也較低；輸出的光功率比較低。,67,LED光譜特性及測試方法： 由于LED沒有光學(xué)諧振腔選擇波長，所以它

51、的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的光譜，下圖示出了1.3m LED的典型光譜曲線。其測試方法與激光器類似。,光器件基礎(chǔ)知識,P：發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強度最大時所對應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長P； ：光譜曲線上兩個半光強點1和2所對應(yīng)的波長差稱之為LED的譜線寬度（簡稱譜寬），其典型值在3040 nm之間。,68,2）LED溫度特性： 從上頁圖中可以看出，當(dāng)器件工作溫度升高時，光譜曲線會隨之向右（向長波長區(qū)域）移動，從P的變化可以求出LED的波長溫度系數(shù)。 同時，其輸出光功率也會隨著溫度進行變化，但是光功率的變化很小。這說明LED是一個溫度不敏感器件，也就是說我們在使用LED組件時，可以不考慮使用致冷元件。,光器

52、件基礎(chǔ)知識,3）LED的PIV特性及測試方法： 與激光器PIV特性測試方法類似，曲線示意圖如下所示。,69,光器件基礎(chǔ)知識,4）LED的調(diào)制特性： LED調(diào)制特性與LD類似，但由于其受到有源區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)制最高頻率只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用。,總的說來，LED與LD相比，其突出優(yōu)點是壽命長、可靠性高、調(diào)制電路簡單、成本低，因此它在一些傳輸速率不太高、傳輸距離不太長的系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。,70,第四章 光電探測器件和光接收組件,光器件基礎(chǔ)知識,半導(dǎo)體光電探測器是光接收部分的主要器件。它通過光電效應(yīng)，將接收到的光信號功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。對光電探測器的性能

53、要求與光源相似，也應(yīng)該具有靈敏度高、響應(yīng)時間短、噪聲小、功耗低、尺寸合理及穩(wěn)定的可靠性等優(yōu)點。,4.1 PIN光電二極管,由于石英光纖具有3個低損耗窗口，所以相應(yīng)的光電探測器也分為3個波段。我們把用于0.85m波段的光電探測器稱為短波長光電探測器，用于1.31m和1.55m波段的則稱為長波長光電探測器。我們知道光電探測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。最簡單的光電探測器就是PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時，外加電場與內(nèi)建電場方向一致，因而在PN結(jié)界面附近形成了相當(dāng)高電場的耗盡區(qū)。當(dāng)光照射PN結(jié)時，在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子立即被高電場加速，以很高的速度向兩端運動，從而在外電路中形成光電流。,71,然

54、而，在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的光生載流子，由于沒有內(nèi)建電場的加速作用，運動速度很慢，而且很容易被復(fù)合掉。因此，這種光電檢測器響應(yīng)速度低，光電轉(zhuǎn)換效率差。光纖通信系統(tǒng)中，采用較多的是PIN光電二極管（PINPD）及雪崩光電二極管（APD）。為提高接收機的靈敏度，又常將PINPD或APD與場效應(yīng)管（FET）組合成為PINFET或APDFET接收器組件，因此它們兼有光電轉(zhuǎn)換和光放大作用，在光纖通信接收機中獲得了廣泛應(yīng)用。,4.2 光接收組件,光接收組件的含義 光接收組件的功能是將經(jīng)過光纖傳送的光信號經(jīng)組件內(nèi)的光電二極管還原成電信號。因此，光接收組件的核心是光電二極管和放大光電二極管輸出的前置放大器。一個最簡

55、單的光接收組件就是將光電二極管和前置放大器組裝在一個密封管殼所形成的組件。,光器件基礎(chǔ)知識,72,為了輸入和輸出有良好的阻抗匹配，組件內(nèi)還需配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了光電二極管工作，還需配置直流偏置電路。為避免光返回光纖，在組件內(nèi)還采取防反射措施。與半導(dǎo)體激光器組件不同的是光電二極管一般都不需要致冷器。下圖是光接收組件的框圖。,光器件基礎(chǔ)知識,73,組件中的光電二極管可以是PIN也可以是APD，究竟采用PIN還是APD，要視應(yīng)用場合而定。一般來說，PIN光電二極管具有好的光電轉(zhuǎn)換線性度、不需要高的工作電壓、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要采用較高

56、的偏壓和溫度補償電路。從簡化光接收機電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測器。 前置放大器的主要作用是保持探測的電信號不失真的放大和保證噪聲最小，一般采用場效應(yīng)管（FET）。最常用的這種光接收組件有兩種類型，即PIN/FET和APD/FET組件。光電二極管和前置放大器之間的集成可以是單片式集成，也可以是混合式集成。,光器件基礎(chǔ)知識,2. 光接收組件的特性及測試方法 波長響應(yīng)范圍：,c亦稱為光電二極管的截止波長,（只有入射光的波長小于c時，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。）,74,光器件基礎(chǔ)知識,（當(dāng)入射光波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換效率也會大大下降。 ）,因此，PIN光電二極管

57、是對一定波長范圍內(nèi)的入射光進行光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就是PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍。,其測試方法為：將不同波長的單色光送入被測器件，被測器件對光響應(yīng)后的輸出信號由記錄儀記錄出光譜響應(yīng)曲線。其測試原理如下圖所示。,75,光器件基礎(chǔ)知識,2） 響應(yīng)度： 響應(yīng)度表征了二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度R定義為： 其中：Pin為入射光到光電二極管上的光功率；Ip為在該入射功率下光電二極管產(chǎn)生的光電流。R的單位是：A/W或mA/mW。 其實用計算公式為： 式中：h6.6310-34Js，為普朗克常數(shù)；q1.610-19C，為電子電荷。式中，波長的單位取m。,76,光器件基礎(chǔ)知識,式中， 為量子效率，其定

58、義為： 響應(yīng)度的測試方法為：給被測PIN管芯加規(guī)定的反向偏壓；入射標(biāo)定的光功率和規(guī)定的光波長；讀得被測管芯得輸出電流，扣除該管芯得暗電流，即為響應(yīng)電流；此響應(yīng)電流與入射光功率的比值即為該管芯的響應(yīng)度。其測試框圖如下。,77,3） 響應(yīng)速度： 作為光探測器，在光纖通信系統(tǒng)中要能夠檢測高頻調(diào)制的光信號，因此響應(yīng)速度是光電二極管的一個重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時間來表示。響應(yīng)時間為光電二極管對矩形光脈沖的響應(yīng)電脈沖的上升或下降時間。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴散時間、光生載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間及其結(jié)電容的影響。,光器件基礎(chǔ)知識,結(jié)電容對響應(yīng)時間的影響： 光電二極管可視作一個電流源，它的等效電路

59、如右圖所示。其中Cd為光電二極管的結(jié)電容，它可以看作為一個平板電容，與耗盡區(qū)寬度W和結(jié)區(qū)面積A有關(guān)，有：,式中：為耗盡區(qū)中半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)；Rs為光電二極管的串聯(lián)電阻，一般很小可忽略；Rp為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可忽略；RL為負(fù)載電阻。因此，結(jié)電容對光電二極管響應(yīng)速度的影響主要由電容Cd和負(fù)載電阻RL決定。,78,光器件基礎(chǔ)知識,載流子渡越時間對響應(yīng)時間的影響： 由于渡越時間tr的存在，對信號的高頻成分產(chǎn)生了兩方面的不良影響：一是有較大的相位滯后；二是信號幅度受到較大削弱。可見，tr引起了高頻失真，限制了器件的帶寬。 減小tr的方法是減小耗盡區(qū)的寬度和加大反偏壓，加大反偏壓是為了提高載流子的平均漂移速度。但是這兩種方法并不能無限制地增大漂移速度，因為在半導(dǎo)體晶格中，載流子有一定的飽和速度。,載流子擴散時間對響應(yīng)時間的影響： 在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子只有離耗盡區(qū)為平均擴散長度以內(nèi)的那部分才能擴散進耗盡區(qū)，并最后形成光電流。這部分載流子擴散時間比較長，與擴散長度的平方成正比。因此對PIN光電二極管來說，擴散時間可通過減薄受光面到耗盡區(qū)之間的厚度及適當(dāng)選取耗盡區(qū)厚度而減至最小，所以對實際器件，擴散時間對響應(yīng)速度影響很小。,79,光器件基礎(chǔ)知識,響應(yīng)速度的測試原理如下： 光電