【正文】 1 光器件基礎(chǔ)知識 第一章 光纖通信簡介 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 —— 1. 我國周朝 —— 烽火臺 2. 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 3. 1960年 —— 世界上第一臺激光器研制成功 4. 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(shí)驗(yàn)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 5. 1974年 —— 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出損耗為 1dB/Km的光纖 （ 化學(xué)氣相沉積法（ MCVD） ） 3 6. 1976年 —— 日本電話電報(bào)公司研制出損耗更低的光纖 （ ） 7. 20世紀(jì) 70年代末期 —— 光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第一次業(yè)務(wù)運(yùn)營 8. 20世紀(jì) 80年代后期 —— 光纖損耗已經(jīng)降低到 9. 1988年 —— 第一條跨大西洋光纜投入運(yùn)營 光器件基礎(chǔ)知識 4 光器件基礎(chǔ)知識 光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn) 1. 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(shí)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。 2. 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 3. 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。 4. 抗噪聲干擾 —— 光纖不導(dǎo)電的特性還避免了光纜受到閃電、電機(jī)、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） 5. 適應(yīng)環(huán)境 —— 光纖對惡劣環(huán)境有較強(qiáng)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。 6. 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 7. 保密 —— 光纖不向外輻射能量，很難用金屬感應(yīng)器對光纜進(jìn)行竊聽。 8. 壽命長 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(jī)、光接收機(jī)、光纖（光纜）和各種耦合器件 7 光器件基礎(chǔ)知識 以點(diǎn) 到點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)為例 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(yùn)營，由 m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 m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 m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(yùn)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(jìn)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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 1. 點(diǎn)到點(diǎn)的直接強(qiáng)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）； 2. 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 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(gè)原子呈電中性 。 ?電子在原子中的運(yùn)動(dòng)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(gè)特定軌道上運(yùn)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(shí)，整個(gè)原子的能量最低，這個(gè)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(shí)，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 固體的能帶結(jié)構(gòu) 光器件基礎(chǔ)知識 1. 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?yàn)榕堇幌嗳菰碇赋?，每一能級上至多只能有兩個(gè)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)電子從原子中掙脫出來，而進(jìn)入離子化狀態(tài)后，這時(shí)能量已沒有一級一級的差別，而在能量圖上形成一個(gè)能量連續(xù)的區(qū)域，這時(shí)電子可以自由運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(jià)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(jià)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(gè)原子轉(zhuǎn)入另一個(gè)原子里去的；而量子力學(xué)卻容許電子通過隧道效應(yīng)進(jìn)入另一個(gè)原子。這樣，價(jià)電子就不再分別屬于各個(gè)原子，而被整個(gè)晶體中原子所共有，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(gè)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(jià)電子對應(yīng)的低能量區(qū)稱為價(jià)帶，它是由價(jià)電子能級分裂形成的能帶。 ? 價(jià)帶上方高能量區(qū)稱為導(dǎo)帶 （價(jià)帶中的能級若沒有被電子全部填滿，電子可以進(jìn)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(jià)帶頂?shù)碾娮幽芰扛?，其值等于帶隙寬?Eg（ 簡稱帶隙的能量） 。 ? 能帶中的各個(gè)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 空帶 價(jià)帶 滿帶 E 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 108～ 102歐姆 米的物體； ? 絕緣體 —— 電阻率為 108～ 1016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(jī)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 ， 而絕緣體的帶隙較寬，約從 eV。 在任何溫度下，由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，將使一些電子從滿帶越過禁帶，激發(fā)到導(dǎo)帶里去。因?yàn)閷?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(jìn)入導(dǎo)帶后，就有機(jī)會在電場作用下，沿著電場相反的方向運(yùn)動(dòng)，去占據(jù)新的能級。這種定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就使晶體能夠?qū)щ?。絕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。 禁帶EgE導(dǎo)帶半導(dǎo)體能帶簡圖 絕緣體能帶簡圖單價(jià)金屬能帶簡圖價(jià)帶E導(dǎo)帶金屬導(dǎo)體能帶簡圖滿帶E導(dǎo)帶E滿帶導(dǎo)帶Eg 禁帶滿帶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(jià)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(jià)帶，但這些價(jià)帶和導(dǎo)帶交迭在一起形成一個(gè)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(gè)能級躍遷到另一能級，而顯示出很強(qiáng)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?yàn)樗膶?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(dú)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(jià)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(yùn)動(dòng)，又有發(fā)生在價(jià)帶中的電子的定向運(yùn)動(dòng)，它兼具電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的兩種機(jī)構(gòu)，這類導(dǎo)電性稱為本征導(dǎo)電。 17 ? 自由電子和空穴 —— 在絕對溫度 0K(即 273℃ )，又無外部激發(fā)時(shí)，由于共價(jià)鍵中的價(jià)電子被束縛著，半導(dǎo)體中沒有可以自由運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)，就會使一些價(jià)電子獲得能量后，掙脫共價(jià)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(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位子，叫空穴。如下圖所示。而鄰近的共價(jià)鍵內(nèi)的價(jià)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(dòng)?？昭ㄊ怯捎谑r(jià)電子形成的，所以它是帶正電的載流子。 光器件基礎(chǔ)知識 +4 +4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4（1）共價(jià)鍵（2）空穴自由電子（3）硅或鍺材料的共價(jià)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(jī)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?yàn)殡娮訋ж?fù)電，取英文單詞 “ Negative”的第一個(gè)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(gè)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，于是在它們的交界處，就形成了一個(gè) 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(gè)受主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)空穴，同時(shí)形成一個(gè)負(fù)離子； N型半導(dǎo)體內(nèi)每一個(gè)施主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)自由電子，同時(shí)形成一個(gè)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(yùn)動(dòng)。同理，電子也會由 N區(qū)向 P區(qū)運(yùn)動(dòng)，通常把這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散，如圖所示。 + + + + + ++ + + + + +++ + + + + ++++++P區(qū) N區(qū)電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散施主雜質(zhì)正離子受主雜質(zhì)負(fù)離子P區(qū)多子（空穴）本征激發(fā)P區(qū)少子（電子）本征激發(fā)N區(qū)少子（空穴）N區(qū)多子（電子） 載流子分布濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 20 光器件基礎(chǔ)知識 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，一是進(jìn)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；另一個(gè)是在交界面兩側(cè)留下了不能移動(dòng)的正負(fù)離子區(qū)，亦稱空間電荷區(qū)，如下圖所示。 + + + + ++ + + + ++ + + + ++++++P區(qū) N區(qū)++++耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）E 內(nèi)建電場平衡狀態(tài)下的 PN結(jié) 21 光器件基礎(chǔ)知識 這個(gè)區(qū)域的載流子因擴(kuò)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(gè)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