【正文】 10℃ 20℃ 30℃ 40℃ 50℃ Ⅰ P 對(duì)溫度不敏感， 不用 ATC電路。 LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值電流。 第 3章 光通信器件 36 表 雙異質(zhì)結(jié) InGaAsP波長半導(dǎo)體激光器特性參數(shù) 項(xiàng)目 符號(hào) 測(cè)試條件 最小值 典型值 最大值 單位 閾值電值 It h / 30 80 mA 輸出功率 P0 ????? ??無“扭折”點(diǎn)2 0 m AthIFI 3 3 / / / m W 微分轉(zhuǎn)換效率 η AAIPm20m20th? 0 . 1 3 0 0 2 1330 m W / m A 峰值波長 λP P0=3mW 1270 10 197。 溫度要求低。 第 3章 光通信器件 33 常用激光器 應(yīng)用： 1550nm第三代光纖通信系統(tǒng) ,光纖 CATV. 2. 分布式反饋激光器 (DFBLD) 單縱模 譜線窄，波長穩(wěn)定 動(dòng)態(tài)譜線好，啁啾小， 利于高速調(diào)制 線性好，利于調(diào)制模擬信號(hào)。 它包含來了外圍電路的功率消耗。 一般要求激光器在閾值電流 附近的正向偏壓小于 2V， 激光器的串聯(lián)電阻小于 5Ω。 對(duì)激光器加偏置電流可以提高調(diào)制速度。 兩個(gè)原因： 1. 激光器的閾值電流 Ith隨溫度升高而增大 。 多縱模激光器：光譜中有多個(gè)縱模，光譜要寬許多，適用于多 模光纖系統(tǒng)。在工作電流由小變大的過程中，一旦觀察到激光器的光譜突然變窄，就說明此時(shí)的工作電流即是閾值電流。 外在激勵(lì) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 自發(fā)輻射 方向選擇 受激輻射 全同光子 閘值條件 相位條件 方向性好、功率穩(wěn)定、頻率窄的激光 第 3章 光通信器件 20 1. PⅠ 特性 PⅠ 特性反映了注入 (驅(qū)動(dòng) )電流和輸出光功率的關(guān)系。激活工作物質(zhì)，使其能級(jí)中的電子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，受激輻射大于受激吸收。 第 3章 光通信器件 18 激光振蕩的 相位條件 為 qnL2n2qL ???? 或 λ為激光波長 ， n為激活物質(zhì)的折射率 ， q=1, 2, 3 …稱為縱模模數(shù) 。 內(nèi)部增益 ：激勵(lì)物質(zhì)源源不斷向工作物質(zhì)提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布以發(fā)出光子。 3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔 組成：兩個(gè)反射率為 R1， R2的反射鏡 —— 法布里－珀羅（ FP）諧振腔 作用：方向選擇，能量反饋放大，頻率選擇。 E 電 子 光子 光子 光子E2 E1 LASERLight Amplification by Stimulate Emission of Radiation 第 3章 光通信器件 14 2. 吸收物質(zhì)與激活物質(zhì) 受激吸收 受激輻射 外來光子 吸收光能 放大光能 熱平衡狀態(tài)： N1/N2=exp〔 － (E1－ E2) / kT〕 N1N2低能級(jí)上的電子數(shù)大于高能級(jí)上的電子數(shù)， 受激輻射的電子數(shù)小于受激吸收的電子數(shù)，光通過物質(zhì)被吸收 ——吸收物質(zhì) 當(dāng) N1N2時(shí)，受激吸收小于受激輻射 光通過這種物質(zhì)被放大 ——激活物質(zhì) 對(duì)激活物質(zhì)而言，它的粒子數(shù)分布是 N2N1，叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。s 第 3章 光通信器件 12 (2) 受激吸收 在光子的激勵(lì)條件下， 電子吸收光子的能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。 第 3章 光通信器件 11 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體 PN結(jié)注入電流， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生 受激輻射 ，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。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)體激光器。在 P型半導(dǎo)體內(nèi)有多余的空穴，在 N型半導(dǎo)體內(nèi)有多余的電子，當(dāng)這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時(shí)候， 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，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)。 ◆電子型半導(dǎo)體 (N)：通過故意摻雜使導(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。導(dǎo)帶中的一個(gè)電子也可以躍遷到價(jià)帶中去，電子把大約等于禁帶寬度 Eg的能量釋放出來。 第 3章 光通信器件 5 hEv g?(3－ 1) h= 1034J ◆導(dǎo)帶：高能級(jí)。 （ 6）光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。 第 3章 光通信器件 3 （ 3）光源應(yīng)具有高度的可靠性，其壽命要在 105h以上。光源性能的好壞是保證光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體光源主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管 (LED)和半導(dǎo)體激光器 (LD)兩種。否則會(huì)因頻繁更換器件而降低系統(tǒng)的可靠性。 （ 7）光源應(yīng)體積小，重量輕，便于安裝和使用。導(dǎo)帶底的能量記作 Ec。s，是普朗克常數(shù)，形成半導(dǎo)體發(fā)光。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個(gè)光子，其頻率為 第 3章 光通信器件 6 、 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體： 又叫做 Ⅰ 型半導(dǎo)體，含雜質(zhì)和缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。 ◆空穴型半導(dǎo)體 (P)：通過故意摻雜使價(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。由這些相反電荷形成一個(gè)自建電場(chǎng)，其方向由 N區(qū)指向 P區(qū)。它們都是正向工作器件。 1. 三種光與物質(zhì)的作用形式 (1) 自發(fā)輻射 處于高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的， 它將自發(fā)的向低能級(jí)躍遷，發(fā)射出一定能量的光子。 特點(diǎn)：這個(gè)過程不是自發(fā)的， 必須有外來的光子的激勵(lì)。對(duì)激光而言，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的前提。 R1 R2 激活物質(zhì) 第 3章 光通信器件 16 入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。 當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)， 在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩。 ? 2 n 反射鏡 光的振幅 反射鏡 L 結(jié)論：只有滿足相位條件的波長的光才會(huì)被加強(qiáng)產(chǎn)生激光，否則會(huì)被減弱。 工作物質(zhì) ：有源層。 Ⅰ Ⅰ th 自發(fā)輻射的熒光 Ⅰ Ⅰ th 受激輻射的激光 Ⅰ P Ⅰ th（閘值電流） 半導(dǎo)體激光器的主要特性 第 3章 光通信器件 21 2. 光譜特性 GaAlAsGaAs InGaAsPInP λ 1310nm 1550nm 850nm P 光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理量，定義為輸出光功率峰值下降 3dB時(shí)的半功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的寬度。 第 3章 光通信器件 23 單縱模激光器和多縱模激光器： 縱模：沿諧振腔軸向的光強(qiáng)分布。 第 3章 光通信器件 24 圖 LD的光譜特性 （ a）熒光光譜；（ b）單縱模光纖光譜；（ c）多縱模光纖光譜 第 3章 光通信器件 25 靜態(tài)單縱模 激光器：激光器在直流工作時(shí)為單頻譜線，它在高速調(diào)制時(shí)振蕩模數(shù)會(huì)增加，使光譜范圍增寬，這對(duì)于高速率單模光纖通信是非常不利的，由光源譜寬增加引起的材料色散會(huì)在傳輸速率為 Gb/s量級(jí)的系統(tǒng)中嚴(yán)重地限制中繼距離。 2. 外微分量子效率 ηd隨溫度升高而減小。當(dāng)外加的偏置電流等于閾值電流時(shí)，延遲時(shí)間接近于零，因此，激光器工作時(shí)要加一個(gè)直流偏置電流在閾值電流附近，以期獲得較高的調(diào)制速率。 5. 伏安特性 圖 激光器的 I－ U曲線 第 3章 光通信器件 31 6. 轉(zhuǎn)換效率 ① 外微分量子效率 ：在閘值電流以上產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子數(shù)之比。 hfeIPeIIhfPPnnththeod ????????VIPp ??第 3章 光通信器件 32 方向性 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光與光纖或光器件進(jìn)行耦合，要求激光器的方向性要強(qiáng)。 雙異質(zhì)結(jié) :兩種不同材料構(gòu)成的 PN結(jié)。無需溫度控制，無需制冷儀器。 光譜寬度 △ λ 4 / 197。 第 3章 光通信器件 39 圖 兩種發(fā)光二極管 （ a）面發(fā)光二極管 （ b）邊發(fā)光二極管 面發(fā)射光束垂直于 P－ N結(jié)， 輻射角大 輸出功率大 耦合效率低 發(fā)射光束平行于 P－ N結(jié) 輻射角小 輸出功率小 耦合效率高 第 3章 光通信器件 40 (1)光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒有諧振腔對(duì)波長的選擇，譜線較寬，輻射角大，強(qiáng)度不大。 第 3章 光通信器件 43 (4) 頻率特性 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為 2)2(1 1)0( )()( efP fpfH ?????f — 調(diào)制頻率， P(f) — 對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率 f的輸出光功率， τe — 少數(shù)載流子 (電子 )的壽命。 第 3章 光通信器件 45 (5) 可靠性 工作壽命長，可靠性好，達(dá) 3 105小時(shí)，合 34 年。 20℃ 40℃ 60℃ 80℃ 受溫度影響小，溫度升高，輸出光功率減少不大。由于短波長 LED主要用于短距離、小容量光纖通信系統(tǒng)，一般只考慮多模尾纖。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、使用方便、壽命長。 m ） 1 . 3 0 出纖功率（ 181。 W ） 30/10 半高譜寬（ nm ） 60 80 上升及下降時(shí)間（ ns ） 工作電流（ mA ） 150 可調(diào)速率（ MHz ） 200 第 3章 光通信器件 56 PIN和 APD光檢測(cè)器 光檢測(cè)器 (photodetector)(PD)：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能(O/E)，又稱光探測(cè)器或光檢波器。光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)都采用光生伏特型 結(jié)型光電二極管。 第 3章 光通信器件 58 光電轉(zhuǎn)換原理 光電效應(yīng) ：某些半導(dǎo)體受到光照射時(shí)，其中的電子會(huì)接受光能而激發(fā)到高能態(tài)上。 第 3章 光通信器件 59 光電二極管（ PDphotodetector） 最簡(jiǎn)單的光檢測(cè)器，利用半導(dǎo)體 PN結(jié)的 光電效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)。 第 3章 光通信器件 60 PN結(jié)的反偏作用： 加大耗盡區(qū)的寬度，加強(qiáng)漂移電流的影響 ，減少擴(kuò)散電流的比例，但降低了響應(yīng)速度。因?yàn)檫@種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)沒法減低暗電流和提高響應(yīng)率，器件的穩(wěn)定性也很差。由圖 ，入射光能在較寬的范圍內(nèi)激發(fā)出載流子，使產(chǎn)生載流子的機(jī)會(huì)增加，因而提高了器件的響應(yīng)率。圖中，Rj為結(jié)區(qū)漏電阻； RS為結(jié)區(qū)和引線的串聯(lián)電阻； RL為負(fù)載電阻。 m ） ～ 量子效率 η （ % ） λ = 1 . 3 ～ 1 . 5 5 181。 m ） 1 響應(yīng)度（ A/W ） λ = 181。習(xí)慣上將 APD的響應(yīng)率與倍增因子的乘積定義為 APD的靈敏度。 第 3章 光通信器件 73 已知 R=IP/P，所以 η與 R可以相互換算（以 v=c/λ代入） （ 3－ 5） 按現(xiàn)有水平制作的光電二極管，入射 100個(gè)光子可產(chǎn)生30～ 95個(gè)電子 空穴對(duì)，所以 η在 30%～ 95%之間。極薄的光敏面可使光生載流子復(fù)合的機(jī)率減小，大部分能順利地到達(dá)耗盡區(qū)，從而提高了量子效率。如果厚度小了，量子效率降低。由光電轉(zhuǎn)換原理可知，對(duì)于禁帶寬度 Eg=E2E1的半導(dǎo)體材料，只有在光子能量 E=hvEg時(shí)，才能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光電效應(yīng)。 λc —— 光檢測(cè)器的波長（注意不要與單模光纖的截止波長相混淆。波長越短，吸收越嚴(yán)重，結(jié)果使大量的入射光子不能深入到耗盡區(qū)的內(nèi)部，在光電二極管的表層就被吸收了。例如， Ge材料 λc≈， Si材料λc≈。 第 3章 光通信器件 79 響應(yīng)速度 (或響應(yīng)時(shí)間 )：光電二極管對(duì)光信號(hào)變化的反應(yīng)速度 圖 光電二極管的響應(yīng)時(shí)間 上升時(shí)間：輸出電脈沖前沿的 10%上升到 99%所需的時(shí)間 下降時(shí)間：而將后沿的 99%下降到 10%所